informe planta químicapara el desarrollo de los cálculos de flujos de fluidos se necesitaron datos...

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Informe Planta Química

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RESUMEN EJECUTIVO

El Centro Mexicano para la Producción Más Limpia (CMP+L) fue establecido en diciembre de 1995 como parte del proyecto Mundial de los Centros Nacionales de Producción Más Limpia (CNP+L). El proyecto contempla en una primera etapa la instalación de diez centros en países en desarrollo en los cinco continentes y es una iniciativa conjunta de la Organización de las Naciones Unidas para el Desarrollo Industrial (ONUDI) y el Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA). El proyecto constituye una respuesta a la necesidad ineludible de crear una estrategia que reconcilie las demandas de crecimiento de las poblaciones, la permanencia del desarrollo industrial como promotor de la economía y la necesidad de preservar el ambiente para alcanzar recursos globales sustentables que no pongan en riesgo el futuro de las generaciones venideras. Es así como se inició un Proyecto de Demostración de Producción más Limpia para el Sector Químico el cual contó con el auspicio de la Agencia de los Estados Unidos para el Desarrollo Internacional (USAID). Se seleccionaron cuatro empresas que representan los sectores de los químicos industriales orgánicos, químicos industriales inorgánicos y materiales plásticos y resinas. Las cuatro empresas se seleccionaron considerando su potencial de producción más limpia y el interés de la gerencia en el proyecto. Una de estas empresas es AAA, S.A. de C.V. la cual se encuentra dentro del sector de químicos industriales orgánicos. A continuación se presenta un resumen de las opciones de producción más limpia encontradas en la planta:

Tabla de Resultados de las Oportunidades de Ahorro en el Área de Proceso.

No. Oportunidades de Producción Más Limpia Beneficios Ambientales

Ahorro Económico

$/año

Inversión $ Tiempo de Pago

1 Sistema de Control de Adición de Bromo

• Recuperación de desechos líquidos y sólidos: 6,480 kg/año

Incremento de utilidades antes

de impuesto: 1,620,000 US$/año.

71,000 US$

2 Destilación Semicontinua y Condensador Secundario en R-40

• Reducción de emisiones de tolueno: 59,736 kg/año

• Ahorro de agua de enfriamiento: 385,092 kg/año

• Ahorro de vapor: 38,432 kg/año

190,732 231,300 1.2 años

3 Condensador Secundario en R-42 o Cambio de Fluido de Enfriamiento

• Reducción de emisiones de tolueno: 6,750 kg/año

22,000-44,000 2,000 1 mes

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Tabla de Resultados de las Oportunidades de Ahorro de Energía Térmica

No. Oportunidad de Ahorro de Energía Ahorro de Energía Térmica litros/año

Ahorro Económico

$/año

Inversión $

Tiempo de Pago

1 Reducción del exceso de aire en la caldera Powermaster 200 CC.

44,412 $ 38,239 - -

2 Reemplazo de eyectores por bomba de vacío.

15,493 $ 14,211 $ 54,000 3.8 años

3 Aislamiento en tuberías y tanque de condensados.

3,235 $ 2,968 $ 2,316 9 meses

Tabla de Resultados de las Oportunidades de Ahorro de Energía Eléctrica

Ahorro de Energía Eléctrica No. Oportunidad de Ahorro de Energía

kWh/año kW

Ahorro Económico

$/año

Inversión $

Tiempo de Pago

4 Instalación de un banco de capacitores. - - $20,229 $39,000 1.9 años

5 Reemplazo de motores estándar

reembobinados por motores de alta eficiencia.

33,683 4.21 $13,521 $29,807 2.2 años

6 Reemplazo de iluminación actual. 36,663 8.97 $20,269 $43,441 2.1 años 7 Aislamiento en la tubería de salmuera 57,299 - $19,949 $8,828 5 meses

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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO I. Proceso de Fabricación La empresa fabrica dos productos principales que son materia prima para la industria farmacéutica: Ketoconazol y Amikacina Sulfato. El volumen de producción de Ketoconazol representa el 98% del volumen de producción total de la planta. Es por ello que la evaluación se centra en el análisis de oportunidades para el proceso de producción del antimicótico. Así mismo, para simplificar la evaluación se acordó centrar la misma en la obtención de BZD y CIA, productos intermedios en la fabricación de Ketoconazol. II. Proceso de Fabricación del Ketoconazol La fabricación del Ketoconazol se lleva a cabo en cinco etapas (véase el anexo de las Bases de Diseño):

1. Obtención de CTD a partir de DAF 2. Obtención de BZD a partir de CTD 3. Obtención de CIA a partir de BZD 4. Obtención de TDX a partir de CIA 5. Obtención de KTZ a partir de TDX

1. Obtención de CTD a partir de DAF La primera etapa del proceso se inicia con la bromación del compuesto DAF, en presencia de glicerol y empleando como solventes butanol y tolueno. Durante esta etapa se agrega bromo de manera tal que la reacción se oriente a un rompimiento y substitución cetónica para obtener el compuesto CTD (4). El control de la adición del bromo es fundamental para minimizar la formación de subproductos debido a las reacciones secundarias que se llevan a cabo. La reacción principal para la formación de CTD es la siguiente:

DAF + Glicerol + Bromo CTD

Cl

Cl

CH3OCCH2OH

CH2OH

CH2OH

+ + Br2

Cl Cl

CBrH2CO O

CH2OH

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2. Obtención de BZD a partir de CTD. El producto CTD obtenido de la etapa anterior se introduce a otro reactor donde se agrega cloruro de benzoílo y trietilamina como solvente para producir por medio de una reacción exotérmica el isómero cis-trans BZD. Entre las impurezas de esta reacción se incluyen los subproductos de la etapa anterior así como cloruro de trietilamonio. La siguiente reacción muestra la formación del BZD: CTD + Cloruro de Benzoílo + Trietilamina cis, trans BZD + Cloruro de trietilamonio Se observa que en esta reacción el producto principal BZD es producido como isómero (cis-trans) al 50% cada uno. El BZD trans se desecha una vez que es separado. 3. Obtención de CIA a partir de BZD La obtención del CIA a partir del BZD involucra dos reacciones: la formación del complejo cis-imidazol-BZD y la reacción de este complejo con metanol para producir el CIA. El proceso de formación del CIA se evaluó hasta la obtención del complejo cis-imidazol-BZD. Inicialmente se efectúa la fusión de imidazol que se carga en exceso dentro de un reactor calentado con aceite térmico. Posteriormente se adiciona el BZD cis con una pequeña porción de trans el cual se funde antes de iniciar la reacción endotérmica para la producción del complejo cis-imidazol-BZD. En el desarrollo de esta reacción se obtiene adicionalmente el subproducto bromohidrato de imidazol quedando también como impurezas, BZD e imidazol no reaccionados. Posteriormente el complejo cis BZD imidazol se hace reaccionar con metanol en hidróxido de sodio, obteniéndose el tercer intermedio en la fabricación del ketoconazol que es el CIA. En este paso se forman nuevos subproductos resultado de reacciones secundarias entre las impurezas arrastradas desde los pasos anteriores. Algunos de estos subproductos son: el complejo imidazol-bromo, imidazol-OH, benzoato de sodio y bromuro de sodio además de una pequeña cantidad de imidazol que no reacciona.

+ +

Cl Cl

CBrH2CO O

CH2OH

C

O

CL

N CH2CH3

CH2CH3

CH2CH3

+N CH2

3

CH3

CH2CH3

CH2CH3

Cl

Cl Cl

CBrH2CO O

CH2OH C

O

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Las reacciones que se llevan a cabo en esta etapa son las siguientes: ∆ BZD + Imidazol Cis-imidazol-BZD El exceso de imidazol adicionado en esta etapa no es reutilizado posteriormente. Sin embargo, es necesario para proteger del calor al CIA formado y también actúa también como disolvente o diluyente. Cis-BZD-Imidazol + Metanol CIA II. Balances de Materia y Energía Para llevar a cabo la evaluación cuantitativa del proceso es necesario realizar los balances de materia y energía para cada operación unitaria involucrada en el proceso de fabricación. 2.1. Balance de Materia. Los balances de masa permiten determinar el enfoque de producción más limpia. Debido a la importancia de este punto el equipo de proyecto decidió realizar el seguimiento en campo de un lote de fabricación que involucrara las etapas de estudio para de esa manera obtener las cantidades de materiales introducidos, así como los productos y residuos generados. Para llevar a cabo lo anterior se propuso y desarrolló un formato de captura de datos donde se recopiló la información compilada. La información que se incluye es la siguiente: • Corriente.- En este lugar se especifica el número consecutivo de la entrada y/o salida de

materiales al proceso.

Cl Cl

CBrH2CO O

CH2OH C

O

CH

CHN

CHNH

+

Cl Cl

CO O

CH2OH

CH2

N

N

C

O

Cl Cl

C

O O

CH2OCHH

CH2

N

NCl Cl

C

O O

CH2OH

CH2

N

N

C

O

CH3OH+

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• Componentes.- Se colocan las cantidades en unidades de masa para cada uno de los materiales involucrados en la corriente, indicándose al final el total de los mismos.

• Otros.- Se incluyen también otras propiedades de cada corriente, por ejemplo: número de moles, peso molecular y temperatura de la corriente analizada.

2.2. Balance de Energía. Otro punto igualmente importante es el desarrollo del balance de energía involucrado en las etapas del proceso estudiadas. Para este fin se realizaron en campo conjuntamente con el punto anterior, mediciones de temperaturas de las corrientes sometidas a calentamiento o enfriamiento en intervalos de tiempo por lo general de una hora. Asimismo, se hicieron mediciones de temperatura en intervalos de una hora en las corrientes involucradas en el calentamiento o enfriamiento. Esto permitió determinar los flujos de fluidos de enfriamiento o calentamiento utilizados en el proceso. Para el desarrollo de los cálculos de flujos de fluidos se necesitaron datos como capacidad calorífica, entalpía de fusión, entalpía de reacción y pérdidas de calor en reactores no aislados. Para obtener los datos anteriores se utilizaron los siguientes métodos: 2.2.1. Calculo de capacidad calorífica. Se empleó el método de contribución de grupos para líquidos el cual se basa en la contribución de los radicales a la molécula principal (1). A continuación se presenta un ejemplo para la determinación de la capacidad calorífica del CTD. Molécula del CTD Cl BrCH2 Cl C O O H2C CH - CH2 - OH

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donde:

Radical No. de radicales en la molécula

Capacidad calórífica del radical (Cal/mol oK)

Capacidad calorífica total (Cal/mol oK)

-CH = (en el anillo) 3 5.3 15.9 -C =(en el anillo) I

3 2.9 8.7

- Cl (segundo carbono) 1 8.6 8.6 - Cl (tercer carbono) 1 6.0 6.0 - O - 2 8.4 16.8 - CH2 - 1 6.2 6.2 I -CH - (en el anillo)

1 4.4 4.4

- CH2OH 1 17.50 17.50 I -C - I

1 2.9 2.9

-CH2 - (Alcano)

1 7.26 7.26

- Br - 1 9.0 9.0 TOTAL 103.26

De la misma manera se determinaron las capacidades caloríficas para los otros compuestos que se detallan en el balance energético. A continuación se presenta un resumen de las capacidades caloríficas determinadas por este método.

Compuesto Capacidad calorífica (Kcal/kg °C) CIA 0.1284 BZD 0.3069 Cloruro de benzoilo 0.3604 Imidazol 0.4537 Imidazol bromo 0.2510 TEA 0.5503 BZD-Imidazol 0.3848 Cloruro de trietilamonio 0.4704

Cabe hacer la aclaración de que no se consideró la variación de las capacidades caloríficas de los líquidos en función de la temperatura debido a que las capacidades caloríficas de los líquidos no son función de la temperatura excepto cuando la temperatura reducida (Tr) se encuentra entre 0.7- 0.8 (2). Esto se comprobó calculando la temperatura reducida (Tr) de la mezcla para el proceso CIA antes de la reacción entre imidazol y BZD en donde se manejan temperaturas superiores a 100°C. El cálculo del volumen crítico de cada componente se hizo siguiendo el procedimiento de Joback (2) y el cálculo de la temperatura crítica se hizo por el método de Fedors (2). La temperatura crítica de la mezcla se calculó basándose en el procedimiento de temperatura crítica de mezclas de Li (2) y los resultados obtenidos fueron:

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Imidazol BZD Mezcla Tc (°K) 649.23 821.18 742.87 Vc (cm3/mol) 203.5 993.5 Tr (a 177°c) 0.61

El resultado de Tr = 0.61 demuestra que la suposición de capacidad calorífica constante en función de la temperatura es correcta. La capacidad calorífica del imidazol y BZD en estado sólido se considera igual a la correspondiente en estado líquido. Este valor se considera una aproximación adecuada debido a que la literatura revisada no proporciona métodos para el cálculo de capacidades caloríficas de sólidos. 2.2.2. Calculo de la entalpía de fusión. La ecuación para el cálculo de la entalpía de fusión fue obtenida de la bibliografía revisada (3) y es la siguiente: ∆H (cal/gmol) = (Lf / Tf)’ x Tf donde: Lf / Tf = Entropía de fusión = 13.5 cal / mol °K. Tf = Temperatura de fusión en °K. A modo de ejemplo se realiza el cálculo de la entalpía de fusión del imidazol: ∆H = 13.5 * (91+273.15) en cal/gmol. ∆H = 4916.03 cal/gmol. Para el BZD se obtuvo un ∆H de fusión de 5332.51 cal/gmol. 2.2.3. Procedimiento para el calculo de la entalpía de reacción. La entalpía de reacción se calculó por el método propuesto por Cardozo (2). A modo de ejemplo se muestra el cálculo de la entalpía de reacción de imidazol y BZD, obteniéndose el complejo cis-BZD-Imidazol y un compuesto imidazol - bromo. 2.2.3.1. Cálculo de la entalpía de combustión. Inicialmente se calcula la entalpía de combustión del compuesto y a partir de ella, se determina la entalpía de formación del mismo. Para el imidazol se tiene:

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Fórmula N N H Peso molecular = 68 ∆Hc = -196.98 - 610.13 x N (Kj/gmol) (1) donde N es la contribución de todos los carbonos más las correcciones de varias estructuras en la molécula. Para este caso será:

Componente: Contribución Carbono: 3.000 Amina terciaria: 0.330 Amina secundaria: 0.270 Alquenos: -0.208 N: 3.392

Sustituyendo en la ecuación (1), se tiene: ∆Hc = -196.98 - 610.13 x 3.392 = -2,266.541 Kj /gmol 2.2.3.2. Calculo de la entalpía de formación. ∆Hf (298 K) = -393.78 * Nc - 121* (NH - NX) - 271.81* NF - 92.37 NCl -36.26 NBr + 24.81 NI -297.26 NS -∆Hc Kj/gmol (2) donde:

Nomenclatura No. de átomos de: Nc Carbono NH Hidrógeno

NF Flúor

NCl Cloro

NBr Bromo

NI Iodo

NS Azufre NX Halógenos

Para el mismo caso del imidazol, se tiene: ∆Hf (298 K) = -393.78 * 3 - 121 * 4 - ( - 2266.541) = 601.201 Kj /gmol

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De la misma manera, se obtuvieron los valores para el cis-BZD, complejo cis-imidazol-BZD y el complejo bromo imidazol, obteniéndose lo siguiente:

Compuesto N ∆Hc(Kj/gmol) ∆Hf (298 K)(Kj/gmol) gmol Imidazol 3.392 -2,266.54 601.20 8713.6 Cis-BZD 11.453 -7,184.79 -1,576.24 4215.2

Trans-BZD 11.448 7,181.74 -1579.29 156.9 Cis-imidazol-BZD 15.235 -9,392.31 -997.80 4376.9 Imidazol-bromo 3.122 -2,101.80 642.20 4374.1

En el caso de la reacción de formación de BZD, el cálculo de las entalpías se hizo mediante el método de Joback (2). 2.2.3.3. Cálculo de la entalpía de reacción La fórmula para la determinación de la entalpía de reacción es la entalpía de productos menos la entalpía de reactivos, tomando en cuenta los gmol de cada componente; así pues el resultado es: ∆HR= [∆Hf (Bromo-imidazol) + ∆Hf (Cis-imidazol-BZD)] - [∆Hf(trans-BZD) + ∆Hf(cis-BZD) + ∆Hf(Imidazol)] ∆HR=[(-997.80 * 4376.9)+(642.20 * 4374.1)] - [(-1579.29*156.9)+(601.20 * 8713.6)+(-1576.24*4215.2)] ∆HR= 95,105.96 kj = 90,143.0521 BTU De manera similar se calculó la entalpía de reacción de formación del BZD obteniéndose el siguiente resultado (método de Joback): ∆HR= -3,658,215.32 BTU 2.2.4. Calculo de las pérdidas de calor en los reactores. Es necesario para llevar a cabo satisfactoriamente el balance energético tomar en cuenta las pérdidas de calor en el caso de reactores que no se encuentren aislados. La cantidad de calor perdido por grado por pie de longitud lineal se estimó en base a la Tabla 1 (véase Sección de Anexos), tomando en cuenta el diámetro interno del reactor. A continuación se calculó el calor perdido por medio de la siguiente ecuación: Q = (T operación promedio - T ambiente mínima) (°F) * Perdidas de tabla (BTU/°F pie) * Longitud de la parte recta del reactor (pie) [BTU/hr] en donde: T operación promedio corresponde a la temperatura promedio dentro del reactor en un intervalo de tiempo.

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T ambiente se consideró igual a la mínima indicada en las bases de diseño. A continuación se indican las dimensiones de los reactores R-42 y R-26 tomadas en cuenta para los cálculos de pérdidas de calor.

Especificación: R-42 R-26 Diámetro interno (cm): 236 196 Longitud de la parte recta (cm): 231 170

Los balances de energía también se efectuaron sin tomar en cuenta las pérdidas de calor.

ANÁLISIS DE LA FACTURACIÓN DE ENERGÉTICOS 1. Facturación eléctrica La empresa AAA, S.A. de C.V. tiene un contrato con Comisión Federal de Electricidad para que le suministre la energía eléctrica en la Tarifa OM región Sur, tarifa ordinaria para servicio general en media tensión con demanda menor a los 300 kW. En la Tabla 1 se presenta la información de la facturación eléctrica para 1997.

Facturación Eléctrica para 1997, Tarifa OM región Sur

Mes Consumo, kWh Demanda máxima, kW F. P. % F. C. % Total a pagar,

M.N.

Enero 141,000 270 89.970% 77.71% $66,349 Febrero 162,000 276 90.360% 84.33% $79,364 Marzo 97,200 282 91.170% 46.33% $52,740 Abril 177,000 282 90.180% 90.18% $81,779 Mayo 154,800 312 88.180% 60.80% $75,518 Junio 159,600 84 85.830% 272.99% $66,429 Julio 153,600 66 84.582% 334.38% $29,347 Agosto 50,640 124 84.596% 60.77% $25,315 Septiembre 138,600 312 84.588% 56.09% $27,363 Octubre 100,800 120 85.030% 116.67% $48,140 Noviembre 79,800 72 87.110% 177.62% $44,976 Diciembre

Promedio 128,640 200 87.418% 125% $54,302

Total 1,415,040 $597,320

El consumo de energía y la demanda máxima promedio son de 128,640 kWh y 200 kW respectivamente, con un factor de potencia promedio de 87.418%. El costo promedio por consumo de energía eléctrica promedio es de $54,302 al mes. Como se puede observar el factor de potencia de febrero a marzo se mantuvo superior al 90 %. Comisión Federal de Electricidad bonifica al usuario un porcentaje de la facturación eléctrica al

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mantener el factor por arriba del 90%, situación que se presento en estos meses; sin embargo, a partir de mayo el factor de potencia disminuyó provocando recargos por bajo factor de potencia. Los porcentajes de recargos y bonificaciones por el factor potencia se obtienen al aplicar un porcentaje de la facturación a través de las siguientes fórmulas. Fórmula de Bonificación: Porcentaje de Bonificación: 1/4 x (1-(90/FP)) x 100 Fórmula de Recargo: Porcentaje de Recargo: 3/5 x ((90/FP)-1) x 100 Otro punto importante por analizar es el factor de carga, éste es en promedio de 68.03% exceptuando los periodos de facturación que se encuentran sombreados. Precisamente en estos meses se registra un factor de carga superior al 100%. Esto se debe a problemas con el medidor de la compañía suministradora que no registra correctamente la demanda máxima medida, ya que el factor de carga máximo que se puede registrar es de 100% e implica que la demanda promedio es la misma que la demanda máxima registrada. El factor de carga nos indica la forma eficiente en que utilizamos la energía eléctrica. En la siguiente ecuación se define el factor de carga.

nfacturació de periodo el en horas de NúmerokW Máxima,Demanda

kWh Energía, de ConsumoCarga de Factor

×= .

Se concluye que el factor de carga del 68.03 % es adecuado para una empresa que trabaja 3 turnos las 24 horas del día. 2. Facturación de combustibles En la Tabla 2 se presenta la información del consumo de combustóleo para 1997. El combustible se utiliza en el generador de vapor, caldera Power Master 200 C.C.

Facturación de Combustóleo para 1997

Mes Consumo de

Combustóleo, Litros

Consumo en energía, Mcal/mes

Importe de la factura, $

Enero 53,000 541,278 $59,360 Febrero 52,000 531,066 $58,240 Marzo 54,000 551,491 $57,283 Abril 52,000 531,066 $44,980 Mayo 64,000 653,619 $67,072 Junio 68,000 694,470 $77,044 Julio 55,000 561,704 $62,315 Agosto 44,000 449,363 $49,852 Septiembre 42,000 428,938 $40,446

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Mes Consumo de


Consumo en energía, Mcal/mes


Octubre 53,000 541,278 $52,841 Noviembre 30,500 311,490 $30,409 Diciembre 20,000 204,256 $19,940

Promedio 48,958 500,002 $51,648

Total 587,500 6,000,020 $619,782

Densidad del Combustóleo 0.982 kg/l Poder Calorífico Inferior 10,400 kcal/kg. La presente información se obtuvo de los gráficos de consumo de combustible con los que cuenta la empresa y su total es aproximadamente igual al reportado por el departamento de compras. El total de combustóleo que se adquirió en 1997 por parte del departamento de compras es de 587,500 litros. La empresa consume en promedio 48,958 litros de combustóleo al mes que en unidades energéticas corresponden a 500,002 Mcal/mes. El costo promedio mensual por consumo de combustóleo es de $51,648 al mes. De la Tabla 3 se puede observar que el mayor consumo de combustóleo se presentó a mediados del año debido principalmente al incremento de la producción en el mes de julio. 3. Índices energéticos En la Tabla 3 se presenta la información de la producción al igual que el índice energético por consumo de energía eléctrica y por consumo de combustóleo a lo largo de 1997. Para obtener el índice energético se requiere la información del consumo de energía, eléctrica o térmica, y la información de producción. El índice energético se calcula como: Indice Energético = Consumo de Energía, Térmica o Eléctrica (kWh o kcal) / Producción (kg)

Producción e Indices Energéticos en 1997.

Mes Producción Total, kg

Indice por consumo de energía eléctrica,

kWh/kg

Indice por consumo de combustible,

Mcal/kg

Enero 768 183.594 705 Febrero 1,541 105.127 345 Marzo 1,489 65.279 370 Abril 1,921 92.140 276 Mayo 2,786 55.564 235 Junio 4,025 39.652 173 Julio 2,693 57.037 209 Agosto 2,176 23.272 207 Septiembre 881 157.321 487 Octubre 29 3475.862 18665 Noviembre 2,384 33.473 131 Diciembre

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Mes Producción Total, kg

Indice por consumo de energía eléctrica,

kWh/kg

Indice por consumo de combustible,

Mcal/kg

Promedio 1,881 81.2461 313.81

Mínimo 29 23.272 131

Máximo 4,025 3,475.862 18,665

Se recomienda que la empresa realice una contabilidad energética que permita cuantificar el índice energético por producto. Esto se puede llevar a cabo mediante un monitoreo detallado de cada producto y recabando la siguiente información:

Nombre del Producto

Producción, kg

Consumo de Combustible,

Mcal

Consumo de Energía Eléctrica,

kWh

Indice Energético,

Mcal/kg

Indice Energético,

kWh/kg

Los consumos de energía térmica y eléctrica asociados a cada producto se pueden obtener calculando las horas efectivas de trabajo que se requieren para su elaboración, el consumo de combustible estimando las horas de operación de la caldera y la carga instalada en equipos electromotrices (kW) por las horas de operación. Esto permitirá obtener un perfil histórico de los índices y en caso de presentarse variaciones importantes, corregir las posibles fallas para mantener este valor lo más bajo posible. En la siguiente figura se presentan las curvas de consumo de energía eléctrica kWh, y producción para 1997. Como se puede observar la producción de KZL y AMK presenta fluctuaciones bastante considerables a lo largo del año al igual que el consumo de energía eléctrica. Hay valores como los del mes de octubre cuyo índice es cerca de 60 veces el índice energético promedio. Este valor no se tomó en cuenta para calcular el índice energético promedio, sin embargo esto indica que la eficiencia con la que se emplean los energéticos disminuye en forma importante cuando se tiene una baja producción.

1 Valor promedio sin contar el mes de octubre.

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Curvas de Consumo de Energía Eléctrica y Producción para 1997

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

Enero

Febre

ro

Mar

zoAbr

il

May

oJu

nio Julio

Agosto

Septie

mbr

e

Octubr

e

Noviem

bre

Diciem

bre

Mes

Co

nsu

mo

de

En

erg

ía E

léctr

ica,

kW

h

-500

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

Pro

du

cción, kg

Consumo de Energía Eléctr ica, kWh

Producción, kg

En la siguiente figura se muestran las curvas de consumo de combustóleo y de producción para 1997. Aquí se observa un comportamiento variable entre la producción y el consumo de combustible. Al igual que en el índice energético por energía eléctrica se presenta un pico en el mes de octubre el cual indica un consumo excesivo de combustóleo para la producción que se obtuvo en ese mes.

Curvas de Consumo de Combustóleo y Producción para 1997

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

800,000

Enero

Febre

ro

Mar

zoAbr

il

May

oJu

nio Julio

Agosto

Septie

mbr

e

Octubr

e

Noviem

bre

Diciem

bre

M e s

Co

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de

Co

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ible

, kca

l

-500

0

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

Pro

du

cción, kg

Consumo de Combust ible, kcalProducción, kg

17

El análisis de los datos de producción y de consumo de energéticos que lleva a la definición de los índices energéticos permite a la empresa evaluar la eficiencia con que está empleando la energía y llevar una contabilidad energética tan importante hoy en día dado el incremento en los precios de los energéticos. El perfil de índices energéticos por consumo de energía eléctrica y por combustible se presenta en la siguiente figura.

Curvas de Indices Energético

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Enero

Febre

ro

Mar

zoAbr

il

May

oJu

nio Julio

Agosto

Septie

mbr

e

Noviem

bre

Diciem

bre

M e s e s

Ind

ice

En

ergétic

o, k

Wh/k

g

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Ind

ice En

ergético, kcal/kg

Ind ice Energé t ico por Consumo de Energía Elé ct r ica, kWh/kg

Ind ice Energé t ico por Consumo de Combust ib le , kca l /kg

4. Oportunidades de ahorro de energía Oportunidad No. 1 Reducción del Exceso de Aire en la Caldera Power Master 200 CC Reducir el exceso de aire en la caldera Power Master. El exceso actual es del 36 % pudiéndose reducir a un 20% para mejorar así la eficiencia de la caldera. Oportunidad No. 2 Reemplazo de Eyectores por Bomba de Vacío Sustituir el sistema de vacío con el que se cuenta actualmente por un sistema más eficiente de bomba de vacío en la estufa de secado. Oportunidad No. 3 Aislamiento en Tuberías y Tanque de Condensados Instalar aislamiento térmico en tuberías y tanques sin aislar, principalmente en la línea de retorno de condensados y el tanque de condensados. Oportunidad No. 4 Instalación de un Banco de Capacitores Instalar un banco de capacitores adicional en la sub-estación de la empresa para garantizar la obtención de un factor de potencia de por lo menos un 97%.

18

Oportunidad No. 5 Reemplazo de Motores Estándar por Motores de Alta Eficiencia Reemplazar los motores estándar actuales que presentan una eficiencia baja por motores de alta eficiencia. Oportunidad No. 6 Reemplazo de Iluminación Actual Realizar el reemplazo del sistema de iluminación actual por uno más eficiente ahorrador de energía. Oportunidad No. 7 Aislamiento en la Tubería de Salmuera Instalar aislamiento térmico en la línea de distribución de salmuera (agua helada) que actualmente se encuentra sin aislar.

19

Bases de Diseño

I. Bases de Diseño.

1.1 Unidades de medida: métricas: X estándar: X 1.2 Temperatura ambiente de diseño:

mínima: 15°C

máxima: 26°C

1.3 Humedad de diseño - temperatura máxima de bulbo húmedo:

H relativa (%): 40-78

1.4 Altura: 1813.2 MSNM 1.5 Presión barométrica normal: 0.819 bar, 614 mm Hg. 1.6 Restricciones ambientales:

1.6.1 Aire: Máximos permisibles en descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales:

NOM-001-ECOL-1996.

1.6.2. Agua:

Tolueno: Xilenos: Orgánicos volátiles (área laboral): Metanol: Acetona: Control de la contaminación atmosférica de las emisiones de fuentes fijas:

NOM-050-STPS-1994 NOM-047-STPS-1993 NOM-010-STPS-1993 NOM-067-STPS-1993 NOM-039-STPS-1994 RLEEPAMCCA, NOM-085-STPS-1994

1.6.3 Otros Efluentes: No aplica. No aplica.

1.6.4 Otros: Residuos Peligrosos

Almacenamiento, control y disposición:

Reglamento de la Ley del Equilibrio Ecológico en Materia de Residuos Peligrosos (RLEEMRP):

II. Requerimientos de Operación. 2.1 Tipo de Operación: Batch 2.2 Detalles de tiempos de operación, frecuencia de paradas, etc. a) Proceso de BZD. El tiempo de operación para la fabricación del BZD es de 7días. Tiempos para una carga de 4 toneladas. Alimentación de materia prima al reactor: 1 dia, operación: 5 dias, descarga: 1 dia. b) Proceso de CIA. No se especificaron. III. Proceso BZD. 3. Materias Primas. 3.1 Materias Primas Fluidas.

20

1 2 3 4 5

Nombre:

Mezcla de metanol -acetona, utilizada para precipitación de BZD cis.

Tolueno Trietilamina (TEA)

Cloruro de benzoilo

CTD

Presión L/B: Ambiente. Ambiente. Ambiente. Ambiente. Ambiente. Temperatura L/B: Ambiente. Ambiente. Ambiente. Ambiente. Ambiente. Estado físico: (líquido, gas)

Líquido. Líquido. Líquido. Líquido. Líquido aceitoso.

Almacenamiento en sitio (detalles):

Tanque destinado a esta operación. El solvente se recircula y se repone cada vez que lo exige la concentración.

Tanques de capacidad entre 15,000 y 10,000 l.

Alimentación directa de tambores de 200 l.

Alimentación directa de tambores de 200 l.

Almacenamiento provisional en tanque o reactor.

Pureza: ---------- 99% 99% 99% ---------- Densidad: 0.79 g/cm3 0.86 g/cm3 0.72 g/cm3 1.2 g/cm3 --------- Viscosidad: ---------- ---------- ---------- --------- ---------

Otros:

Composición de la mezcla:

12 % peso acetona.

---------- ---------- ---------- Peso Molecular:

342.1 Ver anexo

Costo Unitario: Metanol:1.42 $/l

Acetona: 0.75 US$/Kg

2.70 $/l 2.60 US$/Kg 1.5 US$/Kg. 93.15 $/Kg

3.2 Materias Primas Sólidas.

1 2 Nombre: Sosa Sal Almacenamiento en sitio (detalles):

Sólido empleado para la preparación de una solución de lavado al 50 %.

Costales de 25 Kg descargados directamente en la solución de lavado.

Pureza: ---------- ---------- Viscosidad: ---------- ---------- Análisis químico: NaOH ---------- Costo Unitario: ---------- 0.75 $/Kg

4. Productos. 4.1 Productos Principales y Secundarios.

1 2

Nombre: BZD cis, producto principal. BZD trans, producto secundario de la reacción que representa el 50% del producto total.

Presión L/B: Ambiente. Ambiente. Temperatura L/B: Ambiente. Ambiente. Estado físico: (sólido, líquido, gas):

Sólido, polvo color crema. Sólido.


Intermediario obtenido en el reactor R-42 y procesado posteriormente en los reactores R-

Después de la centrifugación se concentra para recuperar la metil-cetona y se desecha totalmente

21

40 y R-22. almacenándose en tambores. Pureza: ---------- ---------- Análisis químico: Ver anexo No se le realizan pruebas. Densidad: ---------- ---------- Viscosidad: ---------- ----------

Otros: Peso molecular: 446.12 Punto de fusión: 122 °C.

----------

IV. Proceso CIA 3. Materias Primas 3.1 Materias Primas Fluidas

1 2 3 Nombre: Isopropanol Metanol. Hidróxido de Sodio. Presión L/B: Ambiente. Ambiente. Ambiente. Temperatura L/B: Ambiente. Ambiente. Ambiente. Estado físico: (líquido, gas)

Líquido. Líquido. Líquido.


Almacenamiento en el área de tanques para solventes.

Almacenamiento en el área de tanques para solventes.

Almacenamiento diluido en el área de solventes.

Pureza: 99% 99% ---------- Densidad: 0.78 g/cm3 0.79 g/cm3 ---------- Viscosidad: ---------- ---------- ---------- Otros: ---------- ---------- Concentración de 47-50%. Costo Unitario: 5.20 $/L 1.42 $/L 1.95 $/Kg.

3.2 Materias Primas Sólidas

1 2 Nombre: BZD cis Imidazol Almacenamiento en sitio (detalles):

Almacenamiento después de secado en el secador.

Almacenamiento en costales de 100 Kg y descarga directa a boca del reactor.

Pureza: ---------- 98.5% Viscosidad: ---------- ----------

Análisis químico: Peso molecular: 446.12

Punto de fusión: 122 Punto de fusión:

90-91C Costo Unitario: 207.26 $/Kg. 11.30 US$/Kg

22

4. Productos 4.1 Productos Principales y Secundarios.

1 2 3 4

Nombre: CIA, producto principal de la reacción.

CIB, producto intermedio de la reacción, antes de la obtencion del CIA.

Imidazol, materia prima alimentada en exceso.

BZD, materia prima que no reacciona.

Presión L/B: Ambiente Ambiente Ambiente Ambiente Temperatura L/B: Ambiente Ambiente Ambiente. Ambiente

Estado físico: (sólido, líquido, gas):

Sólido que después de la centrifugación contiene entre un 10 - 25% de humedad.

Líquido aceitoso muy viscoso.

---------- ----------


Después de la centrifugación se lleva al almacén en donde se termina de secar el producto a temperatura ambiente.

Máximo que queda dentro del reactor: 0.2%.

---------- ----------

Pureza: 97 - 99% ---------- ---------- ----------

Análisis químico: Punto de Fusión: 141

–144 C Ver anexo

---------- ---------- ----------

Densidad: ---------- ---------- ---------- ---------- Viscosidad: ---------- ---------- ---------- ----------

Otros: Costo :

511.68 $/Kg.

Producto intermedio que no llega a convertirse,

generalmente sólo quedan trazas.

Sólo quedan trazas al final de la reacción.

V. Servicios. 5.1 Vapor.

Baja Presión. Media presión. Alta Presión. Cantidad disponible, kg/h:

---------- ---------- ----------

Presión: ---------- 95 -100 lb/in2. ---------- Temperatura: ---------- 337 °F ---------- Costo Unitario: ---------- 0.0896 $/Kg ----------

23

5.2 Agua

Agua de Proceso (agua

suave). Alimentación a

Calderas (agua suave). Agua de enfriamiento

(agua cruda). “Salmuera” (mezcla

agua - metanol)

Cantidad disponible.

Proviene de la cisterna con capacidad de 1,000,000 m3. Consumo de agua suave para proceso: 248.43 m3/mes.

Proviene de la cisterna con capacidad de 1,000,000 m3. Consumo de agua suave para calderas: 633.64 m3/mes.

Proviene de la cisterna con capacidad de 1,000,000 m3. Consumo de agua cruda para torres de enfriamiento: 382.03 m3/mes.

Desconocida

Temperatura. 24°C Calidad: Oxígeno disuelto:

---------- ---------- ---------- ----------

• pH: 8 - 9 8 - 9 7 - 8.5 7 - 9 • Dureza, ppm

CaCO3: 0 - 50 0 - 50 ---------- ----------

• Hierro, ppm Fe:

---------- ---------- ---------- ----------

• Cloruros como Cl:

---------- ---------- ---------- ----------

• Conductivi-dad micromhos:

500 - 700 500 - 700 3,000 - 4,000 ----------

Sílice (como SiO2), ppm: ---------- ---------- ---------- ----------

TSS: ---------- ---------- ---------- ----------

Otros: ---------- ---------- ----------

Densidad: 0.95 - 0.97 g/cm3

y 26% peso de metanol.

Costo Unitario: ---------- ---------- 0.0005028 $/kg 0.0042955 $/kg

5.3 Líquidos Misceláneos

1 2 3 Nombre del servicio: Diesel Industrial Combustóleo Aceite Térmico Cantidad disponible: ---------- 2,310 l/día 44 gal/min Presión: ---------- 1.5 Kg/cm2 ----------

Temperatura: ---------- 88°C. Rango de operación: 600°F

sistema cerrado 400°F sistema abierto

Método de suministro: ---------- ---------- ---------- Detalles de almacenamiento:

---------- ---------- ----------

Gravedad específica: 0.817

Densidad 1.2345 -1.2195 Kg/l

0.982 0.72

Rango de viscosidad a T: 40°C.

Viscosidad Cinemática: 1.9-5.8 mm2/s.

S.F. a 50°F: 510 seg.

a 100°C 6.5 centistokes a 210 °F 48 SSU

Composición, %peso: Gravedad API@60°F:

37.2 ----------

Gravedad API: 30.5

24

Carbono: Carbón Ramsbottom:

0.25%peso. Carbón Conradson:

12.4%peso. ----------

Hidrógeno: ---------- ---------- ---------- Nitrógeno: ---------- ---------- ---------- Oxígeno: ---------- ---------- ---------- Azufre: 0.05% 3.3%peso ----------

Otros:

Aromáticos: 30 % mol Temperatura max. de

ebullición a 1 atm: 10% a 275°C 90% a 345°C

Agua: 0.11 %vol.

A 260°C Presión de vapor: 25mmHg.

Capacidad Calorífica: 0.656 BTU/lb °F

Conductividad Térmica: 0.067 BTU/hr ft °F

Poder calorífico: 10,680 Kcal/Kg. 10,400 Kcal/Kg. ---------- Costo Unitario: ---------- 0.9173 $/l ----------

VI. Electricidad

Rangos de potencia de motores:

15 -40 HP.

Voltaje: 220/440 V Frecuencia: ---------- Fase: ---------- Fuente: ---------- Confiabilidad, posibilidad de falla, etc.:

----------

Costo Unitario: 46.177 $/kW y 0.34521 $/kWh

VII. Instalaciones para disposición

1 2 Tipo: Agua de lavado BZD trans

Método de disposición fuera de L/B:

Almacenamiento en tanques de 5,000 l para uso en el proceso. Posterior desecho en 2 cárcamos con capacidad aproximada de 20,000 y 15,000 l. Envío final a planta de tratamiento municipal.

Concentración y posterior disposición después de la centrifugación en tanques de 200 l.

Frecuencia o tasa de disposición:

Extracción diaria mediante bombas y envío a tratamiento.

Recuperación en cada lote.

Detalles de almacenamiento en sitio:

Mezcla en los cárcamos con todas las aguas de proceso de la planta. Posibilidad de reutilización en algunos puntos.

Confinamiento despues de solidificación en los tanques e incineramiento posterior.

3 4

Tipo: Mezcla Isopropanol - Agua Mezcla Metanol - Sosa Método de disposición fuera de L/B:

Evaporación a la atmosfera de la mezcla despues de su utilización.

Evaporación a la atmosfera de la mezcla despues de su utilización.

Frecuencia o tasa de disposición: En cada lote. En cada lote.

Detalles de almacenamiento en sitio:

---------- ----------

25

VIII. Otros, filtración, etc

Nombre: Carbón activado 61-A Celite Almacenamiento en sitio:

Costales de 20 Kg Bolsas de 50 Kg

Pureza: 70%. ---------- Viscosidad: ---------- ---------- Análisis químico: Humedad = 15-20 % Costo Unitario: 12.70 $/Kg 1.95 $/Kg

26

OPORTUNIDADES DE PREVENCIÓN DE LA

CONTAMINCAIÓN Y EFICIENCIA ENERGÉTICA OPORTUNIDAD DE PREVENCIÓN DE LA CONTAMINACIÓN #1: SISTEMA DE CONTROL DE ADICIÓN DE BROMO Antecedentes y Recomendaciones El producto principal de AAA es el Ketoconazol, el cual requiere de varias etapas para ser sintetizado. Una de estas etapas es la síntesis de CTD a partir de DAF (2,4 -dicloroacetofenona) que se lleva a cabo por medio de la adición de bromo a DAF en n-butanol, glicerol y tolueno. La reacción se desarrolla a 102-106°C y la adición de bromo es manual. La reacción da lugar a la producción de CTD y subproductos, incluyendo agua de reacción de acuerdo a los siguientes mecanismos de reacción: Ruta 1: DAF → PC → CTD Ruta 2: DAF → PC → CB → CTD Ruta 3: DAF → PC → CDB → CTD En donde los subproductos son PC probable cetal, CB cetona bromada y CDB cetona dibromada. El rendimiento de la reacción depende de la mayor o menor aparición de subproductos los cuales son función de la tasa de adición de bromo y la temperatura. Si el bromo se añade demasiado rápido, el sistema de reflujo no es capaz de eliminar a la misma velocidad el agua generada y se generan impurezas. La adición de bromo debe entonces ser detenida para eliminar el agua. Cuando la desviación en la reacción es muy grande no es posible revertir el perfil de producto y subproductos generados y se obtiene un bajo rendimiento. Este bajo rendimiento tiene un efecto multiplicador en las siguientes etapas de síntesis conduciendo en último término a una baja producción de Ketoconazol. Además, el bromo se desperdicia formando subproductos y el tiempo de reacción se incrementa incrementando el consumo de servicios. Si el control de la temperatura no es adecuado, el sistema no es capaz de eliminar el agua, aún cuando la adición de bromo sea la apropiada. La recomendación efectuada a la planta fue la siguiente: • Instalación de un lazo de control de temperatura en el reactor. Se deberá instalar un

termopar doble en el bafle del reactor. La señal del termopar se enviará a un controlador inteligente el cual controlará la temperatura del reactor durante la reacción mediante una válvula de control de temperatura en la línea de vapor que va la chaqueta del reactor. Un control preciso de la temperatura ayudará a optimizar la temperatura de reacción para de esta manera minimizar la formación de productos de desecho.

• Instalación de un sistema de control de flujo de bromo. Este consistirá en un medidor de flujo másico que medirá el flujo de bromo y enviará la señal al controlador inteligente. Una válvula de control de flujo controlará el flujo de bromo al reactor. El punto de ajuste del flujo de bromo se basará en una función de tiempo en el controlador inteligente.

27

Cálculos y Resultados Los cálculos que se presentan a continuación muestran el resultado de la evaluación del sistema de control de bromo. Estos cálculos se realizaron en base a la pureza de CTD como materia prima y el comportamiento del rendimiento de BZD. Se tomaron en cuenta promedios de pureza de CTD y de rendimiento de BZD para 1998 (lotes 15 al 29) y para 1999 (a partir del lote 35 en que el sistema de control empezó a funcionar en forma estable). La relación Ketoconazol/BZD permanece invariable de acuerdo a los datos de planta y es de 0.46. Tenemos entonces que se alcanzó una reducción en la generación de impurezas en la reacción DAF-CTD de 11.6% versus 13% estimado en el Proyecto de Demostración. Adicionalmente, se logró un incremento en el rendimiento de la reacción DAF-CTD de 13.8%, resultado que no había sido vislumbrado en el proyecto de demostración. Esto nos lleva a una reducción de residuos sólidos peligrosos por lote superior a la estimada en el Proyecto de Demostración. Adicionalmente se logran ahorros en el consumo de bromo, ahorros que no habían podido ser cuantificados en el Proyecto de Demostración. A continuación se resumen estos resultados: 1998 1999 Variación Rendimiento reacción DAF-CTD, %

75.25

86.86

11.59

Rendimiento reacción CTD-BZD, %

70.51 84.31 13.8

Producción de Ketoconazol, kg/lote

923.99

1119.11

195.13

Reducción de desechos, kg/lote

195.13

28

Oportunidad de Producción Más Limpia No. 2: Destilación Semicontinua y Condensador Secundario

Tabla Resumen

Reducción de emisiones de tolueno 59,736 kg/año Ahorro de agua de enfriamiento 385,092 kg/año Ahorro de vapor 38,432 kg/año Total de ahorros 190,732 pesos/año Inversión 231,300 pesos Periodo de retorno 1.2 años

Situación Actual El uso de un condensador secundario en la destilación de tolueno y la limitación del enfriamiento intermedio entre adiciones batch permitiría a la planta alcanzar ahorros de 196,000 pesos al año. La mayoría de los ahorros provienen de la recuperación de 59,700 kg/año de tolueno el cual es normalmente venteado a la atmósfera. El costo de las modificaciones sería de aproximadamente 230,000 pesos. El reactor R-40 es utilizado para realizar una destilación batch y producir con ella una solución concentrada de BZD. La mezcla inicial a destilar es BZD disuelto en una gran cantidad de tolueno. El volumen del líquido es sin embargo demasiado grande para efectuar la destilación en R-40 en una sola etapa. Es por ello que el R-40 se carga inicialmente con una porción del líquido a ser destilado y se ejecuta la destilación batch hasta que la mayor parte del tolueno es eliminado. La solución concentrada de BZD es entonces enfriada hasta 45°C para poder añadir luego más solución fresca. La destilación se efectúa nuevamente y posteriormente se vuelve a enfriar. Este procedimiento se repite varias veces hasta terminar de concentrar toda la solución inicial de BZD en tolueno. El total de destilaciones requeridas para obtener un batch de BZD concentrado es de cinco. El tolueno destilado se condensa mediante un condensador de agua de enfriamiento. El tolueno condensado se recupera pero una gran parte del tolueno no se condensa en el condensador cuando se realiza la parte final bajo vacío. Recomendaciones • Instalar un condensador secundario para condensar la mayor parte del tolueno que no se

condensa en el primer condensador. • En lugar de adicionar la solución de manera batch, la planta podría efectuar la adición en

forma continua. Esto eliminaría la necesidad de enfriar el batch antes de la adición de la solución fresca del siguiente batch y permitiría ahorrar toda la energía empleada en el proceso de enfriamiento.

• En el caso de que la adición continua de solución fresca no fuera económicamente viable, se consideraría un cambio de procedimiento para la adición de esta solución. En lugar de enfriar a 45°C antes de adicionar la solución, la planta podría considerar enfriar a una temperatura mayor que 45°C. Se podría considerar utilizar una temperatura ligeramente menor que la

29

temperatura de ebullición de la solución fresca. La adición deberá inicialmente empezarse lentamente pero la velocidad de transferencia podría incrementarse.

Cálculos y Suposiciones Evaluación Técnica y Ambiental Tolueno La determinación de la cantidad de tolueno venteado a la atmósfera se hizo a partir de los resultados de las corridas efectuadas en campo, resultados que se plasman en el balance de masa correspondiente (véase Sección de Diagramas de Flujo de Proceso de BZD, página 5). Se ventean 1,665.04 kg/lote lo que equivale a un venteo total anual de 59,940 kg/año. Se efectuó una corrida del condensador secundario propuesto para la recuperación de tolueno (véase Sección de Anexos) y ésta resulta en la una fracción de tolueno recuperado de 0.996589. Es así como la cantidad de tolueno recuperable al año es de 59,736 kg. Debe hacerse notar que el diseño preliminar del condensador secundario incluido en la Sección de Anexos debe considerarse sólo como una evaluación preliminar del condensador. Deberá efectuarse la ingeniería de detalle del condensador antes de proceder a la compra del mismo. Agua de enfriamiento La determinación del ahorro de agua de enfriamiento se hizo a partir de los resultados de los balances de energía para los enfriamientos después de la destilación. Los resultados de los flujos de agua empleados actualmente en los 5 pasos de enfriamiento (véase Sección de Diagramas de Flujo de Proceso de BZD, páginas 9-13) se compararon con los resultados de los balances con cambio en procedimiento de operación (páginas 14-16). Los resultados indican un consumo actual anual de agua de enfriamiento de: Consumo actual por lote de agua de enfriamiento en la destilación y enfriamientos intermedios: 321,379.52 kg/lote y un consumo con cambio en procedimiento de310,682.20 kg/lote. El ahorro anual de agua de enfriamiento es por lo tanto de 385,092 kg/año. Vapor El ahorro en el consumo de vapor se calculó a partir de la comparación del balance de energía de la destilación del tolueno actual (página 8) con el balance de energía con cambio de procedimiento de operación incluido a continuación. La diferencia en el flujo de vapor requerido es de 20.53 kg/h lo que equivalente anualmente a: Ahorro en consumo de vapor: 20.53 kg/h x 52 horas/lote x 36 lotes/año = 38,432 kg/año La tabla incluida a continuación presenta la comparación del requerimiento energético global actual y con cambio en el procedimiento de operación. Evaluación Económica Ahorros Tolueno El ahorro por concepto de la recuperación de 59,736 kg/año de tolueno es:

30

Tolueno: 59,736 kg/año x 1/0.8611 l/kg x 2.70 pesos/l = 187,303.6 pesos/año Agua de Enfriamiento Se asumió un costo del agua de enfriamiento mucho menor al proporcionado por la planta. Esto disminuye los ahorros pero proporciona resultados más realistas. Se asume también que se dispone del agua helada requerida para la operación del condensador secundario. A continuación se presenta la estimación del costo del agua de enfriamiento: Costo de agua estimado por la planta: 0.0986 pesos/L. Costo del agua fresca de otras fuentes: 13.41 pesos/m3 Costo de la electricidad: 0.089957682 US$/kwh Asumiendo una torre de enfriamiento típica:

Capacidad: 18,000,000 BTU/H Delta de temperatura: 20 °F Flujo de recirculación: 1800.7203 GPM Agua evaporada: 18,000 lb/h Flujo de reposición: 48.019208 GPM

Costos de operación: Costo del agua: 0.00528273 US$/Galón Costo del agua de reposición: 15.22035 US$/h Costo del ventilador de 20 HP: 1.340369466 US$/h Energía de bombeo: 53.8 kw Costos de bombeo: 4.839723307 US$/h Costo total: 21.40044277 US$/h Costos de enfriamiento: 1.188913487 US$/millón de BTU

Costos de agua circulada: 2.37783E-05 US$/lb de agua

circulada

Costo de agua de enfriamiento: 0.0005028 pesos/Kg

Ahorro por concepto de agua de enfriamiento: 385,092 kg/año x 0.000503 pesos/l = 193.6 pesos/año Costo del agua helada Rendimiento de refrigeración para un enfriamiento de agua de –30°F: 2.05 HP/T Para una tonelada de refrigeración:

Refrigerante circulado: 2.615 lb/min Refrigerante circulado: 156.9 lb/h Entalpía de vaporización: 72.838 BTU/lb Sobrecalentamiento: 38 BTU/lb Carga del condensador: 17390.482 BTU/h Agua enfriamiento necesaria: 869.52411 lb/h

31

Costo por agua de enfriamiento en el Condensador:

0.0206758 US$/h

Costo del compresor: 0.1375354 US$/h Circulación de refrigerante: 800 lb/h Costo de bombeo del refrigerante: 0.004302 $/h Para 1 T de refrigeración 0.1625132 US$/h 13.542763 US$/MM BTU 0.0002031 US$/lb de refrigerante Costo del refrigerante 0.0042955 pesos/kg refrigerante

Vapor El costo del vapor proporcionado por AAA es de 84.24 pesos/1000 kg. Considerando que el ahorro de vapor es de 38,432 kg/año, el ahorro anual por concepto del vapor será: Ahorro por vapor: 38,432 kg/año x 84.24 pesos/1000 kg = 3,237.5 pesos/año Ahorros totales Tolueno 187,302 pesos/año Agua de enfriamiento 193 pesos/año Vapor 3,237 pesos/año Total 190,732 pesos/año Costo total instalado Costo total del condensador secundario. El condensador secundario tiene un costo de 7,710 US$ y el costo de instalación se considera igual al doble del costo del equipo; es decir 15,420 US$.

Costo del Equipo 7,710 US$ Costo de Instalación 15,420 US$ Costo Total 23,130 US$ o 231,300 pesos

Retorno de la Inversión En base a lo anterior el retorno de la inversión es el siguiente: RI = Inversión / Beneficios = 231,300 pesos / 190,732 pesos/año = 1.2 años Consideraciones Técnicas La evaluación económica tal vez no favorezca la adición continua de solución al reactor. Si la planta decide efectuar un cambio en el procedimiento de operación y enfriar la solución en el tanque a una temperatura mayor a la actual, la temperatura seleccionada deberá probarse cuidadosamente para confirmar que no habrán problemas de flasheo en exceso. Si la temperatura seleccionada fuera demasiado alta, el disco de ruptura del recipiente podría abrirse. El diseño del condensador secundario deberá efectuarse para la destilación al vacío del tolueno y también para la destilación al vacío de las mezclas metanol-acetona-tolueno. El intercambiador que se presenta en la corrida “toluene4” manejaría el caso más extremo de ambas destilaciones. Sin embargo, la temperatura del refrigerante es crítica en el caso de la mezcla metanol-acetona-tolueno. En todo caso, la ingeniería de detalle del intercambiador es indispensable antes de efectuar la compra del mismo.

32

OPORTUNIDAD DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA NO. 3: CONDENSADOR R-42

Tabla Resumen

Reducción de emisiones de tolueno 6,750 kg/año Ahorro por recuperación de tolueno 22,000-44,000

pesos/año Costo por refrigerante 689 pesos/año Inversión 2,000 pesos Periodo de recuperación 1 mes

Situación Actual: La planta puede utilizar agua helada en el condensador de grafito del R-42. La adición de una línea de balanceo de vapores al tanque de cloruro de benzoilo eliminará la necesidad de tener el R-42 abierto directamente a la atmósfera durante la adición de este compuesto. Esto dará como resultado la recuperación de más tolueno que normalmente es venteado durante este proceso. El costo de las modificaciones será de aproximadamente de 2,000 pesos. La cantidad máxima de tolueno que se podría recuperar es de aproximadamente 13,500 Kg/año; sin embargo, la recuperación que probablemente se logre alcanzar en la realidad será de alrededor de la mitad de esta cantidad. Los ahorros pueden variar entre 22,000 y 44,000 pesos al año. El incremento en costos para la planta por concepto de cambio de medio del enfriamiento será de aproximadamente 700 pesos al año. El R-42 es utilizado para varios propósitos siendo uno de éstos la producción de BZD a partir de CTD. Durante el proceso de producción de BZD se adicionan muchos ingredientes entre los que se incluyen: CTD, tolueno, trietilamina, cloruro de benzoilo y otros. Durante la adición de cloruro de benzoilo al R42, el reactor tiene un venteo directo a la atmósfera que lleva a la pérdida de una cantidad considerable de tolueno a la atmósfera. Durante otras etapas del proceso, el espacio de vapor del R-42 es dirigido a un condensador enfriado por agua lo que permite la captura de mucho del tolueno que se escapa a la atmósfera; sin embargo, existe todavía una cantidad considerable de tolueno que se escapa ya que el vapor se encuentra diluido con gases no condensables como HCl. Recomendaciones • Llevar los vapores del R-42 al sistema de condensación mientras se efectúa la carga de

cloruro de benzoilo al R-42. Esto puede lograrse con la instalación de una línea de balanceo de vapores desde el espacio de vapor del R42 al espacio de vapor del tanque de carga de cloruro de benzoilo. Esto elimina la necesidad de abrir el R-42 directamente a la atmósfera durante la operación de carga recuperándose la mayor parte del tolueno que sale del sistema por medio del sistema existente de condensación.

• Instalar un condensador secundario para recuperar más vapores de tolueno. El condensador secundario puede enfriarse con agua helada del sistema existente de agua helada. La mayor parte de la carga térmica sería manejada con el condensador primario enfriado con agua y una gran parte del tolueno condensaría. Esto reduce el volumen de vapores a ser condensados en

33

el condensador secundario. Las temperaturas mucho más frías desarrolladas en el condensador secundario condensarán mucho más vapor de tolueno el cual normalmente se escapa.

• Una opción que puede ser más realizable que la sugerencia anterior es simplemente cambiar el procedimiento de operación durante la adición. El procedimiento modificado consistiría en emplear agua helada en el condensador existente en lugar de agua de enfriamiento durante la adición de cloruro de benzoilo. Esto permitiría condensar mucho más tolueno del que condensa en un condensador de agua de enfriamiento por lo que habría menor pérdida de tolueno.

Cálculos y Suposiciones Evaluación Técnica Después de discusiones con la planta se determinó que el condensador existente podría operarse con agua helada en lugar de agua de enfriamiento. No habría otros costos de capital más que una pequeña cantidad de tuberías. El único costo sería la diferencia entre el costo de utilizar agua de enfriamiento y agua helada. En la Opción 1 se detalla el cálculo de los costos de agua de enfriamiento y agua helada. Los datos suministrados por la planta no se utilizaron por considerarse demasiado elevados Evaluación Ambiental Cantidad máxima de tolueno recuperable = 374 kg/lote x 36 lotes/año = 13,464 kg/año Evaluación Económica Ahorros por concepto de reducción de emisiones de tolueno

Max. tolueno recuperado 13,464 kg/año Volumen de tolueno recuperado @ SG=0.8611

15,635.81 /año

Costo del tolueno: 2.70 pesos/L Ahorros por tolueno recuperado: 42,216.7 pesos/año

Costos de refrigeración

Requerimientos de refrigeración 1,326,877 BTU/año Costo del refrigerante 0.0042955 pesos/kg Consumo de refrigerante 40,124 pesos/año Costos por refrigerante 172 pesos/año Asumiendo 4 veces el refrigerante calculado 689 pesos/año

Consideraciones Técnicas La principal consideración es la disponibilidad de suficiente capacidad en el sistema de agua helada para manejar la carga extra de enfriamiento. Otra consideración es si la reacción química causa la formación de vapores de HCl ya que en ese caso deben tomarse medidas para prevenir la corrosión si se considera la instalación de nuevos condensadores. Esto favorecería la recomendación de cambio del procedimiento de operación en lugar de la instalación de un nuevo condensador secundario.

34

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 1: REDUCCIÓN DEL EXCESO DE AIRE EN LA CALDERA POWER MASTER 200 CC

Tabla Resumen Ahorro en Costos, $/año $ 38,239 Ahorro de Energía Consumo, litros/año

44,412

Situación actual En las instalaciones de AAA, S.A. de C.V. se cuenta con una caldera de tubos de humo marca Power Master de 200 Caballos Caldera. El combustible que se emplea para la generación de vapor es el combustóleo. La eficiencia con la cual opera la caldera actualmente es del 76.0 %. Esto se determinó basándose en la información técnica de análisis de gases y producción de vapor. Recomendación Reducir el exceso de aire en la caldera Power Master. El exceso actual es del 36 % pudiéndose reducir a un 20% para mejorar así la eficiencia de la caldera. Suposiciones y Cálculos La eficiencia de la caldera se calculó por le método directo basado en medidas directas realizadas a algunos parámetros. 1.1 Método Directo Se mide la cantidad de vapor generado y la cantidad de combustible consumido. A partir de estos datos y de las temperaturas del vapor y del agua de alimentación a la caldera se calcula la eficiencia como:

dosuministra

util

Q

Q=η

Donde el calor útil es el calor que se aprovecha para la generación de vapor y el calor suministrado es el calor que entrega el combustible al quemarse. El calor útil se define como:

( ) ( )[ ]hlchlshlc-hvsvapor m Q util −×+×= 03.0 donde: m vapor, es el flujo de vapor producido en la caldera, kg/h. hvs, es la entalpía del vapor saturado a presión absoluta de saturación, kcal/kg. hls, es la entalpía del líquido saturado a presión absoluta de saturación, kcal/kg. hlc, es la entalpía del agua de alimentación a la caldera, kcal/kg.

35

El primer término de la ecuación anterior corresponde al calor requerido para la evaporación del agua de alimentación mientras que el segundo término corresponde al calor que se pierde por la purga de agua que se requiere para el mantenimiento de la caldera. El calor proporcionado por el combustible es:

PCIecombustibl m Q dosuministra ×= donde: m combustible, es el caudal de combustóleo quemado, kg/h. PCI, es el poder calorífico inferior de combustóleo, kcal/kg. Reemplazando estas dos últimas ecuaciones, la eficiencia se calcula como:

( ) ( )[ ]PCI ecombustibl m

hlchlshlc-hvsvapor m

×−×+×

=03.0

η

Base de datos Los siguientes datos para el cálculo de la eficiencia de la caldera corresponden a los datos indicados en las Bases de Diseño. Condiciones Atmosféricas T ambiente promedio = 20.5 ºC Humedad Relativa = 78 % P atmosférica = 0.8351 kg/cm2 Combustible m combustible = 117.1 litros/h para la producción de vapor reportada (Estimado en base al valor promedio de los datos registrados en las hojas de diario del fogonero, donde se lleva el control del consumo de combustible por día, Anexo Datos de Planta). Gravedad Específica = 0.982 Temp. = 20.5 ºC. PCI = 10,400 kcal/kg. Agua de alimentación Temp. agua nueva = 24 ºC Temp. de condensados = 84 ºC Temp. deaereador = 70 ºC hlc = 70 kcal/kg a 70 ºC Vapor P manométrica = 100 lb/in2 = 7.031 kg/cm2

36

P absoluta = 7.87 kg/cm2 Temp. de saturación = 169 ºC. Flujo de vapor: 1541.8 kg/h (Estimado sobre la base de mediciones hechas por el anterior Jefe de Mantenimiento, Sección de Anexos) hvs = 660.7 kcal/kg. hls = 170.5 kcal/kg. 1.3 Resultados Reemplazando los valores correspondientes en la ecuación de la eficiencia se obtiene lo siguiente:

( ) ( )[ ]%54.76

705.17003.0=

××−×+×

=kcal/kg 10,400kg/L 0.982L/h 117.1

kcal/kg kcal/kg kcal/kg 170.5-kcal/kg 660.7kg/h 1541.8η

La eficiencia del generador de vapor también se calculó por el método de entradas y salidas basado en el programa para el cálculo de eficiencia en calderas del código ASME de calderas. En la Tabla 4, se presentan los resultados de la eficiencia en la caldera que se obtuvieron con la memoria de calculo y el programa basado en el código ASME (véase Sección de Anexos).

Tabla 1. Tabla Resumen de Resultados de Eficiencia en la Caldera Eficiencia por el Método Directo, Memoria de Cálculo 76.54 %

Programa del Código ASME en Calderas (Anexo A) 2

Método de Entradas y Salidas 76.26 %

La eficiencia del generador de vapor es baja ya que para una caldera de este tipo la eficiencia debería ser del 80% al 85%. Esto se debe principalmente a que no se encuentra trabajando correctamente, 5 de los fluses en el interior de la caldera se encuentran cerrados ya que presentan fugas. Esto disminuye la superficie de calefacción de la caldera y la capacidad de producción de vapor. Evaluación Para evaluar esta oportunidad de ahorro de energía se tomará el costo del metro cubico de combustóleo que es de 0.9173 $/litro, precio con IVA y cargo por flete, con un poder calorífico inferior de 10,400 kcal/kg Los siguientes análisis de emisión de gases muestran que el exceso de aire en los quemadores es del 36 %. Análisis de Emisión de Gases Temp. gases de chimenea = 248 ºC. 2 Metodología para el Desarrollo de Diagnósticos Energéticos en Sistemas de Distribución de Vapor, CONAE

37

Fracción de gases en Base Húmeda CO2 = 12.2 % O2 = 5.6 % CO = 0.0020% SO2 = 0.1324 % NOx = 0.0264 % N2 = 80.22 % H2O = 1.82 % Fracción de gases en Base Seca CO2 = 12.43 % O2 = 5.70 % CO = 0.0020% SO2 = 0.1349 % NOx = 0.0269 % N2 = 81.71 % Exceso de aire 35.91 % I. Combustible: Combustóleo Componentes % Peso PM mol % Mol C 83.88% 12.010 6.98 38.02% H 11.19% 1.000 11.19 60.92% O 0.16% 16.000 0.01 0.05% N 0.54% 14.000 0.04 0.21% S 3.71% 32.000 0.12 0.63% H2O 0.52% 18.016 0.03 0.16% Total 100.00% 93.026 18.37 100% C38.02 H60.92 II. Aire para la Combustión, 78 % de humedad relativa 20.5 ºC Componente PM % Vol. Base seca % Vol. Base Húmeda N2 28.013 79 76.956 O2 31.999 21 20.457 H2O 18.015 2.587 Total 100 100 PM promedio 28.57 III. Requerimiento de O2 De la ecuación estequiométrica:

38

C38.02 H60.92 + 53.25 O2 → 38.02 CO2 + 30.46 H2O El O2 estequiométrico en kgmol/100 kgmol de combustible es: 38.02+(60.92/4) = 53.25 kgmol/100 kgmol de combustible. Aire estequiométrico en 100 kgmol de comb.= 53.25/0.20457 = 260.30 kgmol/100 kgmol de combustible Aire estequiométrico por kgmol de combustible = 2.603 kgmol/kgmol de combustible. Aire 20 % de exceso = 260.3 x 1.2 = 312.36 kgmol/100 kgmol de combustible Aire 36 % de exceso = 260.3 x 1.36 = 354.01 kgmol/100 kgmol de combustible IV. Análisis de gases de escape Gases de escape con 20% de exceso de aire en kg/100 kgmol de combustible. Total CO2 : 38.02 x 44.01 = 1673.26 O2 : ((53.25 x 1.2) - 53.25) x 32.00 = 340.80 N2 : (312.36 x 0.76956) x 28.02 = 6735.44 H2O : [(60.92/2) + (312.36 x 0.02587) + 0.16] x 18.02 = 697.37 Total 9446.87 kg/100kgmol de combustible Gases de escape con 36 % de exceso de aire en kg/100 kgmol de combustible. Total CO2 : 38.02 x 44.01 = 1673.26 O2 : ((53.25 x 1.36) - 53.25) x 32 = 613.44 N2 : (354.01 x 0.76956) x 28.02 = 7633.54 H2O : [(60.92/2) + (354.01 x 0.02587) + 0.16]x 18.02 716.80 Total 10637.04 kg/100kgmol de combustible V. Porcentaje de calor perdido % de calor perdido = kg/100 kgmol comb. 36% de exceso - kg/100 kgmol comb. 20% de exceso kg/100 kgmol comb. 20% de exceso % de calor perdido = 10637.04 - 9446.87 x 100 = 12.60% 9446.87

39

Tal como se muestra en la memoria de cálculo, un exceso de aire del 36% significa un porcentaje de pérdida de calor en los gases de combustión de 12.60 %. Esta pérdida de calor contribuye a disminuir la eficiencia de la caldera. Considerando los valores promedio de consumo mensual de combustible para la caldera tenemos lo siguiente:

Tabla 2. Facturación de Combustóleo para 1997

Mes Consumo de


Consumo en energía, x 103 kcal/mes


Promedio 48,958 500,002 $51,648

Densidad del Combustóleo 0.982 kg/l Poder Calorífico Inferior 10,400 kcal/kg. Si se tiene una pérdida de calor del 12.60 % el ahorro en combustóleo es: Ahorro en Combustible: 0.1260 x 500,002 x 103 kcal = 63,000 x 103 kcal por mes Sin embargo la caldera no siempre trabaja a capacidad total. Considerando que la caldera trabaja a medio fuego un 60 % del tiempo, el ahorro en combustible será: Ahorro en Combustible: 63,000 x 103 kcal x 0.60 x (10,400 kcal/kg)-1 x (0.982 kg/l)–1 = 3,701 litros/mes. El ahorro económico por la aplicación de la medida es de: Ahorro Económico al año = 3,701 litro por mes x 0.9173 $/litro x 12 meses al año = $ 40,739 al año. Gastos Se requiere realizar la calibración de la caldera para obtener el valor de exceso del aire adecuado del 20%. La calibración se puede efectuar dos veces al año con un costo estimado de $2,500. Ahorros Netos Los ahorros netos al año serán de 39,239 pesos. Comentarios Con el fin de que la caldera trabaje con un exceso de aire adecuado se recomienda realizar la calibración de la misma por lo menos dos veces al año. También se recomienda repara los 5 fluses que se encuentran sellados debido a fugas para incrementar al área de calefacción de la caldera.

40

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 2: REEMPLAZO DE EYECTORES POR BOMBA DE VACÍO

Tabla Resumen Ahorro en Costos, $/año 14,211 Inversión Necesaria, $ 54,000 Período de Recuperación, años 3.8 Ahorro de Energía Consumo, litros/año

15,493

Ahorro de Agua de Enfriamiento, GPM

21

Situación Actual Para el sistema de vacío se cuenta con cuatro eyectores cuyos datos de diseño se presentan a continuación. Eyector de torre I Presión de vacío: 1 mm Hg Consumo de vapor: 320 lb/h Presión: 85 psig Agua de enfriamiento: 24 GPM 25 ºC de temperatura máxima Eyector torre II Presión de vacío: 1 mm Hg Consumo de vapor: 320 lb/h. Agua de enfriamiento: 24 GPM a 25 ºC de temperatura máxima Eyector torre IV Presión de vacío: 1 mm Hg Consumo de vapor: 320 lb/h. Presión del vapor: 85 psig Agua de enfriamiento 24 GPM a 25 ºC de temperatura máxima Eyector de estufas de secado Presión de vacío: 1 mm Hg Tiempo de secado: 9 hrs. Consumo de vapor: 500 lb/h cuatro etapas. Presión del vapor: 85 psig. Agua de enfriamiento: 21 GPM a 25 ºC El consumo total de vapor para operar los eyectores de vacío es de 1,460 lb/h que son 662.3 kg/h de vapor a una presión de 6 kg/cm2 aproximadamente. Esto significa emplear aproximadamente un 42 % del vapor generado en la caldera para el sistema de vacío. Estos equipos trabajan aproximadamente 1200 horas al año. Actualmente existen problemas con la presión de vacío en los eyectores debido a que no se alcanza la presión de diseño de 1 mm Hg. Anteriormente se recuperaba el condensado a la salida

41

del eyector pero ésto provocaba el problema con el vacío, razón por la cual ahora se ventea todo el vapor que se manda a los eyectores y no se recupera el condensado.

Figura 1. Diagrama Esquemático del Sistema de Vacío con Eyectores para la Estufa de Secado

Figura 2. Diagrama Esquemático con el Sistema de Vacío Propuesto (Bomba de Vacío)

Recomendación Sustituir el sistema de vacío con el que se cuenta actualmente por un sistema más eficiente de bomba de vacío en la estufa de secado.

42

Suposiciones y Cálculos De acuerdo a la información de diseño, el costo que lleva la generación de vapor para operar todo el sistema de vacío es: Costo = 662.3 kg vapor/h x 1200 h/año x 0.0759 l comb./kg vapor generado x 0.9173 $/litro de comb. Costo = $ 55,334 al año Al año se gasta aproximadamente $ 55,334 en combustible para el sistema de vacío. Ahora bien, para efectos de la evaluación se toma como ejemplo la sustitución del eyector de vacío de la estufa de secado que es el eyector que consume la mayor cantidad de vapor que el resto de los eyectores. El consumo de vapor es de 375 lb/h para las tres etapas en funcionamiento o 170.1 kg/h de vapor. El costo para la producción de vapor es de: Costo = 170.1 kg/h x 1,200 h/año x 0.0759 litros de comb./kg vapor x 0.9173 $/litro de comb. Costo = $14,211 al año. El ahorro en combustible es de 15,493 litro al año de combustóleo. Inversión necesaria La aplicación de esta medida significa la inversión en un sistema de bomba de vacío con un booster y un condensador entre el recibidor y la bomba con un costo estimado de $ 54,000. Periodo de recuperación de la inversión De acuerdo a los ahorros económicos estimados de $14,211 al año y la inversión necesaria para la aplicación de la medida, se tiene un periodo de recuperación de la inversión de 3.8 años. Comentarios Como se indicó anteriormente, existen dificultades en campo para alcanzar la presión de vacío que se requiere, cuando se intenta recuperar el condensado de los eyectores. Debido a ésto no existe recuperación de condensado en el sistema de vacío y todo el vapor destinado a este sistema se ventea. A los ahorros económicos por reducir el consumo de combustible deberá también añadirse el ahorro en agua de enfriamiento. Existe un costo adicional que es el costo del agua helada que deberá ser determinado con el consumo de agua helada que suministre el fabricante.

43

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 3 : AISLAMIENTO EN TUBERIAS Y TANQUE DE CONDENSADOS

Tabla Resumen

Ahorro en Costos, $/año 2,968 Inversión Necesaria, $ 2,316 Período de Recuperación, meses 9 Ahorro de Energía Térmica Consumo, litros/año

3,235

Situación Actual Durante la visita a la planta, se observaron e identificaron tramos de tubería sin aislamiento, como es el caso de la tubería de retorno de condensados de 38 mm de diámetro y 45 m de longitud. La tubería se encuentra en el exterior así como el tanque de recuperación de condensados y ambos se encuentran sin aislamiento. El área de transferencia del tanque de condensados es de 4.49 m2. El sistema de generación y distribución de vapor opera aproximadamente 5,256 horas al año. Recomendación Instalar aislamiento térmico en tuberías y tanques sin aislar, principalmente en la línea de retorno de condensados y el tanque de condensados. Suposiciones y Cálculos Para evaluar esta oportunidad de ahorro de energía se tomará el costo del litro de combustóleo que es de 0.9173 $/l, precio con IVA y cargo por flete, con un poder calorífico inferior de 10,400 kcal/kg y una eficiencia de la caldera de 76.54%. La longitud de la tubería es de 45 m, con una temperatura en la pared de 84 ºC y con una temperatura ambiente de 20.5 ºC, por lo tanto la diferencia de temperatura entre la superficie y el medio ambiente es de 63.5 ºC. 1. Memoria de cálculo 1.1 Cálculo de las pérdidas de calor en líneas (tuberías)3 1.- Cálculo del diámetro aislado

espesordoda ×2+= 2.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

3 Para el cálculo de la pérdida o ganancia de calor se emplearán las relaciones contenidas en la Norma Oficial Mexicana NOM-009-1995. Eficiencia Energética en Aislamientos Térmicos Industriales.

44

( )( ) ( ) 5.04266.0181.0

2.0 ×10×9366.7+1×sup×8.1×44.510+sup

11.1×××7241.2= Vta-t

-tatdaChc --

3.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por radiación, hr, (W/m2 K)

supsup

××10×9824.0=44

8

t-tat-ta

Emisividadhr -

4.- Cálculo del coeficiente global de transferencia de calor, hs (W/m2 K)

hrhchs += 5.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )

dahsdoda

kais

ta-topq

×1

+ln××2

1×

=π

6.- Verificación de la temperatura de superficie, tsc(K)

doda

kaisq

-toptsc ln××2

=π

7.- Convergencia de la temperatura de superficie. Si tsup = tsc, entonces las pérdidas de calor son igual a q y la temperatura en la superficie es tsc. En caso contrario, hacer tsup =tsc y regresar al punto No. 1 del procedimiento de tuberías. donde: C= Coeficiente de forma [1.016 para tuberías, adimensional]. ta = Temperatura ambiente[293.5 ºK]. tsup = Temperatura de la superficie de la tubería [357 K en superficie sin aislamiento]. V = Velocidad del viento [6 m/h aproximadamente]. do = Diámetro exterior de la tubería [0.0381 m]. Espesor = espesor del material aislante, [m]. top = temperatura de operación [K]. kais = Conductividad térmica del termoaislante, [K]. Emisividad = Emisividad de la superficie [para el acero es de 0.79, para el aluminio 0.2]. 1.2 Perdidas antes de aislar 1.- Cálculo del diámetro sin aislamiento térmico.

45

m doda 0381.0== 2.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )[ ] ( ) 5.04266.0181.0

2.0 6×10×9366.7+1×5.293357×8.1×44.5105.293+357

11.10381.0×016.1×7241.2= -- -

-hc

K W/m hc 283.7=


KmW hr º/08.1=3575.2933575.293

×79.0×10×9824.0= 244

8


KW/m KW/m KW/m hs 222 91.8=08.1+83.7= 5.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )

mW

mKmW

K-Kq 87.67=

0381.0×/91.8

15.293357×

=

2

π

Calor perdido en la tubería sin aislar = h

kcalW m

m

W627,2=054,3=45×87.67

Calor perdido en la tubería x horas de uso al año = añokcal

añoh

hkcal

976,806,13=256,5×627,2

Calor perdido en la tubería sin aislar al año = 13,806,976 kcal/año. 1.3 Pérdidas después de aislar: Cálculo de la pérdida de calor con la tubería aislada en su totalidad4. Para la evaluación de las pérdidas de calor en la superficie aislada: Espesor de 0.025 m para fibra de vidrio. Norma oficial Mexicana NOM-009-ENER-1995. Conductividad térmica: 0.054 K. Temperatura de superficie con aislante: 22 ºC 4Se repite la misma secuencia de cálculo para determinar los parámetros necesarios para el tramo con aislante. El dato de tsup se obtiene iterando en los pasos 1-5 hasta que tsc = top-(q/(2*π x kais)x ln((da/do)) y se tiene convergencia cuando tsup = tsc.

46

Emisividad del aluminio: 0.2 1.- Cálculo del diámetro aislado

m espesordoda 0881.0=)2×025.0(+0381.0=×2+= 2.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )[ ] ( ) 5.04266.0181.0

6×10×9366.7+1×295×8.1×5.293+29511.1

×0881.0××= 293.5-510.44-

1.0162.7241hc 0.2-

hc = 2.72 W/m2K


KmW K 95-K K 95-K

hr - 244

8 /20.0=25.29325.293

×2.0×10×9824.0=

hr = 0.20 W/m2 K


KW/m KW/m KW/m hs 222 92.2=20.0+72.2= 5.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )

mW

mKmW

K-Kq 40.0=

0381.0×/92.2

1×

0381.00881.0

ln×054.0×2

15.293295×

=

2

π

Calor perdido en la tubería con aislante =h

kcalW m

m

W48.15=18=45×40.0

Calor perdido en la tubería x horas de uso = añokcal

añoh

hkcal

363,81=256,5×48.15

Calor perdido en la tubería aislada = 81,363 kcal/año 6.- Verificación de la temperatura de superficie, tsc(K)

47

K -K tsc 294=0381.00881.0

ln×054.0×2

40.0295=

π

El ahorro económico estimado se obtiene a lo largo del año y se presenta como el combustible que se deja de utilizar al reducir las pérdidas de calor en las tuberías que carecen de aislamiento térmico. Ahorro de energía = 13,806,976 kcal/año – 81, 363 kcal/año = 13,725,613 kcal/año

añolitros kg/l kgkcal

añokcal 3,725,613 ecombustibl en Ahorro /756,1=

7654.0×982.0×/400,10/1

=

Ahorro Económico Anual = (1,756 litros/año)*(0.9173 $/litro) = 1,611 $/año. Ahorro económico anual =$1,611 al año. 2. Calculo de las pérdidas de calor en tanques 1.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )( ) ( ) 5.04266.0181.0

×10×9366.7+1×sup×8.1×44.510+sup

11.1××0075.3= Vta-t

-tatChc -


supsup

××10×9824.0=44

8

t-tat-ta

Emisividadhr -


hrhchs += 4.- Cálculo del flujo de calor por unidad de área, q (W/m2)

( )

hskaisespesor

ta-topq 1

+

×=

π


hsq

tatsc +=

6.- Convergencia de la temperatura de superficie.

48

Si tsup = tsc, entonces las pérdidas de calor son igual a q y la temperatura en la superficie es tsc. En caso contrario, hacer tsup =tsc y regresar al punto No. 1 del procedimiento de tanques. donde: C= Coeficiente de forma [1.79 para tanques, adimensional]. ta = Temperatura ambiente[293.5 ºK]. tsup = Temperatura de la superficie [357 K en superficie sin aislamiento]. V = Velocidad del viento [6 m/h aproximadamente]. Espesor = espesor del material aislante, [m]. top = temperatura de operación [K]. kais = Conductividad térmica del termoaislante, [K]. Emisividad = Emisividad de la superficie [para el acero es de 0.79, para el aluminio 0.2]. 2.1 Cálculo de pérdidas antes de aislar: 1.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie aislada hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )( ) ( ) 5.04266.0181.0

/6×109366.7+1×2357×8.1×44.5105.293+357

11.1×79.1×0075.3= hmxK-K

-KKhc -93.5

hc = 7.93 W/m2 K


Km

WK-KK-K

hr 2

448 08.1=

3575.2933575.293

×79.0×10×9824.0= -


hs = 7.93 W/m2 K + 1.08 W/m2K = 9.01 W/m2K 4.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )2

2

1.572=

/01.9

15.293357

=m

W

KmW

K-Kq

Calor perdido en el tanque sin aislar = h

kcalW m

m

W208,2=568,2=49.4×1.572 2

2

Calor perdido en el tanque sin aislamiento al año = 2,208 x 5,256 = 11,605,248 kcal/año.

49

2.2 Pérdidas después de aislar: Cálculo de la pérdida de calor en el tanque aislado en su totalidad5: 1.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie aislada hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )( ) ( ) 5.04266.0181.0

/61093667+×295×81×445105293+

11.×.10075.= hmxK-K

-KKhc -93.5

2 K

2. Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por radiación, hr, 2 K)

KmK-K-

hr44

.0356295

2952.××.0 -


hs = 3.25 W/m2 K + 0.20 W/m2K = 3.45 W/m2K 4.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )2

2

99.1=

/98.8

1+

054.0025.0

5.293295=

m

W

KmW

K-Kq


Ktsc 295=45.399.1

+5.293=

Calor perdido en el tanque después de aislar = h

kcalW m

m

W68.7=94.8=49.4×99.1 2

2

Calor perdido en el tanque sin aislamiento al año = 7.68 x 5,256 = 40,366 kcal/año. El ahorro económico estimado se obtiene a lo largo del año y se presenta como el combustible que se deja de utilizar al reducir las pérdidas de calor en el tanque que carece de aislamiento térmico. Ahorro de energía = 11,605,248 kcal/año – 40,366 kcal/año = 11,564,882 kcal/año

5 Para obtener este dato se repiten los 5 pasos dados en la NOM-009-ENER-1995 y el dato de tsup se obtiene iterando en los pasos 1-5 hasta que tsc = ta+(q/hs) , teniendo convergencia cuando tsup = tsc.

50

añolitroskg/l kgkcal

añokcal,564,882 ecombustibl en Ahorro /479,1=

7654.0×982.0×/400,10/11

=

Ahorro Económico Anual = (1,479 litros/año)*(0.9173 $/litro) = 1,357 $/año. Ahorro económico anual =$1,357 al año. Ahorro económico total al año =$1,611 +$1,357 = $2,968

Ahorro en Combustible y Económico Ahorro de energía anual por aislar tuberías y tanques

Ahorro en

combustible, litros/año Ahorro económico,

$ Tubería de retorno de condensados 1,756 1,611 Tanque de condensados 1,479 1,357

Inversión necesaria Para implementar la medida de ahorro de energía se requiere comprar el siguiente material con un costo aproximado de $2,316: • 50 tramos de aislamiento de fibra de vidrio para tubería de fierro de 1.5” de 0.038 x 0.025 x

0.914 m • 16 metros lineales de manta cruda de 1.05 m de ancho. • 19 metros lineales de aluminio corrugado calibre 32 de 0.90 m de ancho. • 1 kg de fleje de aluminio de 0.013 m de ancho . • 150 sellos para fleje de 0.013 m de ancho. • 1 cubeta Fivervap N65 de 18 litros. La inversión no incluye la mano de obra. La instalación la puede llevar a cabo el personal de mantenimiento. Periodo de Recuperación de la inversión La medida de ahorro de energía tiene un periodo simple de recuperación de la inversión de 9.6 meses. Comentarios La falta de aislamiento en la tubería de retorno de condensados y el tanque de recuperación de condensado ocasiona una pérdida de energía en forma de calor que se manifiesta en una temperatura menor del agua que retorna a la caldera requiriéndose más combustible para la generación de vapor.

51

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 4: INSTALACIÓN DE UN BANCO DE CAPACITORES

Tabla Resumen

Ahorro en Costos, $/año 20,229 Inversión Necesaria, $ 39,000 Período de Recuperación, años 1.9 Ahorro de Energía Electricidad, kW/mes

-

Situación Actual De acuerdo a lo establecido por la compañía suministradora de energía eléctrica, la empresa que registre un factor de potencia menor al 90 % será sancionada económicamente y recibirá una bonificación cuando el factor de potencia sea superior al 90%. La información suministrada por la empresa muestra que en el periodo de enero a diciembre de 1997 el factor de potencia promedio fue de 87.42%. La instalación de un banco de capacitores permitirá incrementar el factor de potencia hasta un 97% eliminando con ello la penalización económica por un bajo factor de potencia Recomendación Instalar un banco de capacitores adicional en la sub-estación de la empresa para garantizar la obtención de un factor de potencia de por lo menos un 97%. Suposiciones y Cálculos Esta medida no trae consigo estrictamente ahorros en energía pero de acuerdo a los lineamientos de la compañía suministradora, se obtienen ahorros económicos muy importantes debido a que las acciones sugeridas son fundamentadas en los cargos que se aplican en la facturación eléctrica. De acuerdo con el análisis histórico de los recibos y tomando valores promedio, de enero a diciembre de 1997, se obtiene lo siguiente.

Valores promedios anuales durante 1997

Período Demanda

kW Factor de Potencia

Cargo por demanda y consumo

(antes de I.V.A.)

Cargo por demanda y consumo

(después de I.V.A.) Promedio Mensual 200 87.418 % 47,219 54,302

El tamaño del banco de capacitores necesario se calcula de la siguiente manera:

( )[ ] ( )[ ]{ }deseadoactualbanco del FPtanFPtankWkVAr arccosarccos −=

entonces:

( )[ ] ( )[ ]{ } 97.6097.0arccos87418.0arccos200 =−= tantankVAr banco del kVAr

52

La dimensión del banco de capacitores requerido para lograr un factor de potencia superior al 90% es de 61 kVAr. El factor de potencia que se tendrá al instalar este banco de capacitores será de:

( )[ ] 97.0200

6187418.0arccoscos =

−= tanarctanFP

Por lo que la bonificación que se tendrá al instalar el banco será de: % de bonificación = ¼ x (1 - (90/97)) x 100 = 1.8 % Bonificación por FP = (0.018)($ 47,219) = $850 por mes Bonificación anual = $ 10,200 Actualmente se tiene un recargo ya que el factor de potencia promedio anual es de 0.87418 que es inferior al 90%. Porcentaje de Recargo: 3/5 x ((90/87.418)-1) x 100 = 1.77 % Recargo por FP = (0.0177)($ 47,219) = $835.8 por mes Recargo anual = $10,029 El beneficio económico total que se obtienen al instalar un banco de capacitores adicional al que se tiene actualmente es de: Ahorro Total = $10,200 + $10,029 = $20,229 al año. Inversión Necesaria La aplicación de esta medida implica la instalación de un banco de capacitores automático adicional al que se tiene de una capacidad de 60 kVAr. La instalación de este equipo puede ser realizada por el personal de la empresa. A continuación se proporciona el precio del capacitor recomendado. Modelo recomendado: Capacitor automático ABB modelo CLMB 70-480, 70 kVAr, 480 V $39,000 no incluye instalación Período de Recuperación de la Inversión. De acuerdo con los ahorros económicos estimados de $20,229 y la inversión necesaria para la aplicación de esta medida, se tiene un periodo de recuperación de la inversión de 1.92 años para instalar el banco de capacitores automático.

53

Comentarios Al instalar un banco de capacitores se debe tener en cuenta que los días que la planta no opere a toda su capacidad, el factor de carga en los transformadores será bajo. Esta situación se puede presentar los días domingos y días festivos dando lugar a un sobre-voltaje que puede provocar que se quemen los equipos eléctricos como la iluminación y los motores. Es por ello que se recomienda la instalación de un banco de capacitores automático, el cual dependiendo del factor de potencia que se registre, activará el número de pasos adecuado en el capacitor para incrementar el factor de potencia. Para determinar el banco de capacitores requerido para incrementar el factor de potencia se puede emplear la información condensada en al Tabla 2 cuyos valores se obtienen a partir de las ecuaciones anteriormente presentadas. Con el fin de que la empresa también conozca la forma en que la compañía suministradora de energía eléctrica lleva a cabo la facturación eléctrica, en la Sección de Anexos se presenta el cálculo de facturación para el mes de diciembre de 1997.

54

Incremento del Factor de Potencia* (Fuente: General Eléctric) Factor de potencia deseado (%)

Factor de potencia actual (%)

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

50 0.982 1.008 1.034 1.060 1.086 1.112 1.139 1.165 1.192 1.220 1.248 1.276 1.306 1.337 1.369 1.403 1.440 1.481 1.529 1.590 1.732

51 0.937 0.963 0.989 1.015 1.041 1.067 1.093 1.120 1.147 1.174 1.202 1.231 1.261 1.291 1.324 1.358 1.395 1.436 1.484 1.544 1.687 52 0.893 0.919 0.945 0.971 0.997 1.023 1.049 1.076 1.103 1.130 1.158 1.187 1.217 1.247 1.280 1.314 1.351 1.392 1.440 1.500 1.643 53 0.850 0.876 0.902 0.928 0.954 0.980 1.007 1.033 1.060 1.088 1.116 1.144 1.174 1.205 1.237 1.271 1.308 1.349 1.397 1.458 1.600 54 0.809 0.835 0.861 0.887 0.913 0.939 0.965 0.992 1.019 1.046 1.074 1.103 1.133 1.163 1.196 1.230 1.267 1.308 1.356 1.416 1.559 55 0.768 0.794 0.820 0.846 0.873 0.899 0.925 0.952 0.979 1.006 1.034 1.063 1.092 1.123 1.156 1.190 1.227 1.268 1.315 1.376 1.518

56 0.729 0.755 0.781 0.807 0.834 0.860 0.886 0.913 0.940 0.967 0.995 1.024 1.053 1.084 1.116 1.151 1.188 1.229 1.276 1.337 1.479 57 0.691 0.717 0.743 0.769 0.796 0.822 0.848 0.875 0.902 0.929 0.957 0.986 1.015 1.046 1.079 1.113 1.150 1.191 1.238 1.299 1.441 58 0.655 0.681 0.707 0.733 0.759 0.785 0.811 0.838 0.865 0.892 0.920 0.949 0.979 1.009 1.042 1.076 1.113 1.154 1.201 1.262 1.405 59 0.618 0.644 0.670 0.696 0.723 0.749 0.775 0.802 0.829 0.856 0.884 0.913 0.942 0.973 1.006 1.040 1.077 1.118 1.165 1.226 1.368

60 0.583 0.609 0.635 0.661 0.687 0.714 0.740 0.767 0.794 0.821 0.849 0.878 0.907 0.938 0.970 1.005 1.042 1.083 1.130 1.191 1.333 61 0.549 0.575 0.601 0.627 0.653 0.679 0.706 0.732 0.759 0.787 0.815 0.843 0.873 0.904 0.936 0.970 1.007 1.048 1.096 1.157 1.299 62 0.515 0.541 0.567 0.593 0.620 0.646 0.672 0.699 0.726 0.753 0.781 0.810 0.839 0.870 0.903 0.937 0.974 1.015 1.062 1.123 1.265 63 0.483 0.509 0.535 0.561 0.587 0.613 0.639 0.666 0.693 0.720 0.748 0.777 0.807 0.837 0.870 0.904 0.941 0.982 1.030 1.090 1.233 64 0.451 0.477 0.503 0.529 0.555 0.581 0.607 0.634 0.661 0.688 0.716 0.745 0.775 0.805 0.838 0.872 0.909 0.950 0.998 1.058 1.201 65 0.419 0.445 0.471 0.497 0.523 0.549 0.576 0.602 0.629 0.657 0.685 0.714 0.743 0.774 0.806 0.840 0.877 0.919 0.966 1.027 1.169

66 0.388 0.414 0.440 0.466 0.492 0.519 0.545 0.572 0.599 0.626 0.654 0.683 0.712 0.743 0.775 0.810 0.847 0.888 0.935 0.996 1.138 67 0.358 0.384 0.410 0.436 0.462 0.488 0.515 0.541 0.568 0.596 0.624 0.652 0.682 0.713 0.745 0.779 0.816 0.857 0.905 0.966 1.108 68 0.328 0.354 0.380 0.406 0.432 0.459 0.485 0.512 0.539 0.566 0.594 0.623 0.652 0.683 0.715 0.750 0.787 0.828 0.875 0.936 1.078 69 0.299 0.325 0.351 0.377 0.403 0.429 0.456 0.482 0.509 0.537 0.565 0.593 0.623 0.654 0.686 0.720 0.757 0.798 0.846 0.907 1.049 70 0.270 0.296 0.322 0.348 0.374 0.400 0.427 0.453 0.480 0.508 0.536 0.565 0.594 0.625 0.657 0.692 0.729 0.770 0.817 0.878 1.020

71 0.242 0.268 0.294 0.320 0.346 0.372 0.398 0.425 0.452 0.480 0.508 0.536 0.566 0.597 0.629 0.663 0.700 0.741 0.789 0.849 0.992

55

Factor de potencia deseado (%) Factor de potencia actual (%)

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

72 0.214 0.240 0.266 0.292 0.318 0.344 0.370 0.397 0.424 0.452 0.480 0.508 0.538 0.569 0.601 0.635 0.672 0.713 0.761 0.821 0.964 73 0.186 0.212 0.238 0.264 0.290 0.316 0.343 0.370 0.396 0.424 0.452 0.481 0.510 0.541 0.573 0.608 0.645 0.686 0.733 0.794 0.936 74 0.159 0.185 0.211 0.237 0.263 0.289 0.316 0.342 0.369 0.397 0.425 0.453 0.483 0.514 0.546 0.580 0.617 0.658 0.706 0.766 0.909 75 0.132 0.158 0.184 0.210 0.236 0.262 0.289 0.315 0.342 0.370 0.398 0.426 0.456 0.487 0.519 0.553 0.590 0.631 0.679 0.739 0.882

76 0.105 0.131 0.157 0.183 0.209 0.235 0.262 0.288 0.315 0.343 0.371 0.400 0.429 0.460 0.492 0.526 0.563 0.605 0.652 0.713 0.855 77 0.079 0.105 0.131 0.157 0.183 0.209 0.235 0.262 0.289 0.316 0.344 0.373 0.403 0.433 0.466 0.500 0.537 0.578 0.626 0.686 0.829 78 0.052 0.078 0.104 0.130 0.156 0.183 0.209 0.236 0.263 0.290 0.318 0.347 0.376 0.407 0.439 0.474 0.511 0.552 0.599 0.660 0.802 79 0.026 0.052 0.078 0.104 0.130 0.156 0.183 0.209 0.236 0.264 0.292 0.320 0.350 0.381 0.413 0.447 0.484 0.525 0.573 0.634 0.776 80 0.000 0.026 0.052 0.078 0.104 0.130 0.157 0.183 0.210 0.238 0.266 0.294 0.324 0.355 0.387 0.421 0.458 0.499 0.547 0.608 0.750

81 0.000 0.026 0.052 0.078 0.104 0.131 0.157 0.184 0.212 0.240 0.268 0.298 0.329 0.361 0.395 0.432 0.473 0.521 0.581 0.724 82 0.000 0.026 0.052 0.078 0.105 0.131 0.158 0.186 0.214 0.242 0.272 0.303 0.335 0.369 0.406 0.447 0.495 0.556 0.698 83 0.000 0.026 0.052 0.079 0.105 0.132 0.160 0.188 0.216 0.246 0.277 0.309 0.343 0.380 0.421 0.469 0.530 0.672 84 0.000 0.026 0.053 0.079 0.106 0.134 0.162 0.190 0.220 0.251 0.283 0.317 0.354 0.395 0.443 0.503 0.646 85 0.000 0.026 0.053 0.080 0.107 0.135 0.164 0.194 0.225 0.257 0.291 0.328 0.369 0.417 0.477 0.620

86 0.027 0.054 0.081 0.109 0.138 0.167 0.198 0.230 0.265 0.302 0.343 0.390 0.451 0.593 87 0.027 0.054 0.082 0.111 0.141 0.172 0.204 0.238 0.275 0.316 0.364 0.424 0.567 88 0.027 0.055 0.084 0.114 0.145 0.177 0.211 0.248 0.289 0.337 0.397 0.540 89 0.028 0.057 0.086 0.117 0.149 0.184 0.221 0.262 0.309 0.370 0.512 90 0.029 0.058 0.089 0.121 0.156 0.193 0.234 0.281 0.342 0.484

91 0.030 0.060 0.093 0.127 0.164 0.205 0.253 0.313 0.456 92 0.031 0.063 0.097 0.134 0.175 0.223 0.284 0.426 93 0.032 0.067 0.104 0.145 0.192 0.253 0.395 94 0.034 0.071 0.112 0.160 0.220 0.363 95 0.037 0.078 0.126 0.186 0.329

56

Factor de potencia deseado (%) Factor de potencia actual (%)

80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

96 0.041 0.089 0.149 0.292 97 0.048 0.108 0.251 98 0.061 0.203 99 0.142

* Los factores de esta tabla se obtienen como: (Tan(arcos(F.P. actual)) - (Tan(arcos(F.P. deseado)), y al multiplicarse por la demanda en kW dan como resultado los kVAR necesarios para incrementar el factor de potencia.

Las tarifas eléctricas vigentes obligan al usuario a mantener un factor de potencia (FP) como mínimo de un 90% ya que de lo contrario se le hará un cargo adicional. Existe una metodología que permiten incrementar el factor de potencia por arriba del 95%. La tabla 5, la cual es sólo un arreglo de funciones trigonométricas, está incluida en algunas publicaciones relacionadas al tema del factor de potencia. La primera columna de la izquierda muestra el factor de potencia actual, el cual se puede obtener de los recibos de facturación. El factor de potencia puede variar de mes a mes por lo que es conveniente obtener un promedio de éstos. En la parte superior, en el primer renglón, se tiene el factor de potencia que se desea alcanzar. Es muy fácil determinar los kVAR necesarios para incrementar el factor de potencia. Ejemplo: En la empresa “Z” se tiene un factor de potencia promedio del 77 % en los últimos 5 meses y se desea incrementar hasta el 95 %. La intersección entre el factor de potencia actual y el deseado es de 0.500. En caso de incrementar el factor de potencia de 77 a 100% el valor encontrado es 0.829. Para incrementar el FP de 77 al 95% se tiene que:

Cantidad de kVAr = 0.500 x Demanda actual Si la demanda actual es de 100 kW entonces los kVAr necesarios son:

Cantidad de kVAr = 0.500 x 100 = 50 kVAr Para incrementar el FP de 77 al 100% se tiene que:

Cantidad de kVAr = 0.829 X 100 = 82.9 kVAr

57

De esta forma es fácil observar que para incrementar el factor de potencia en un 5%, del 95 al 100%, se requiere más de 2/3 partes de la inversión requerida para incrementar el factor de potencia del 77 al 95%. Es por ello que usualmente el objetivo es incrementar el FP hasta un 95% pero no más.

58

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 5: REEMPLAZO DE MOTORES ESTÁNDAR REEMBOBINADOS POR MOTORES DE ALTA EFICIENCIA

Tabla Resumen

Ahorro en Costos, $/año 13,521 Inversión Necesaria, $ 29,807 Período de Recuperación, años 2.2 Ahorro de Energía Eléctrica Consumo, kWh Demanda, kW

33,683 4.21

Situación Actual. Los principales equipos consumidores de energía eléctrica en las instalaciones AAA, S.A. de C.V. son los motores eléctricos. En la lista que a continuación se presenta se anotan los datos de placa de los principales motores, tanto por las horas reales de operación como por la potencia. Algunos de ellos se han tenido que reembobinar por presentar fallas y su reparación ocasiona que la eficiencia se vea afectada y disminuya considerablemente. Se realizaron mediciones puntuales y continuas en los principales equipos electromotrices y en la Tabla 1 se presentan los datos de placa de los motores que económicamente es factible reemplazar.

Datos de Placa de los Motores Estándar Datos de Placa

Identificación Ubicación Marca Tipo hp Velocidad,

rpm Voltaje

, V Corrient

e, A Armazó

n Eficienci

a Bomba agua de enfriamiento a eyectores6

CCM IEM Cerrado 40 3530 220/44

0 50 286 TCZ 89.0%

Bomba agua de enfriamiento a reactores

CCM IEM Cerrado 40 3530 220/44

0 50 286 TCZ 89.0%

Compresor Mycom I CCM Relianc

e Cerrado 40 1,465

220/440

50.0 - 82.1%

Bomba de salmuera a equipos Tanques de salmuera

IEM Cerrado 15 1,745 220/44

0 19.5 254T 88.5%

Bomba de tanque elevado CCM IEM Cerrado 15 1,745 220/44

0 19.5 254T 88.5%

Se realizaron mediciones de los parámetros eléctricos con el fin de evaluar el comportamiento de un motor nuevo de alta eficiencia, bajo las mismas condiciones del motor actual. Los parámetros que se miden son: voltaje fase neutro, corriente por fase, potencia eléctrica por fase y factor de potencia. En las Tablas 10 y 11 se muestran los parámetros eléctricos que se midieron.

6 Oportunidad de ahorro de energía eléctrica en caso de no efectuarse el reemplazo de los eyectores por una bomba de vacío o si la bomba queda como respaldo de la bomba de agua de enfriamiento a reactores.

59

Recomendación Reemplazar los motores estándar actuales que presentan una eficiencia baja por motores de alta eficiencia.

Mediciones en Motores Estándar Mediciones en Motores Eléctricos

Voltaje, Volts Corriente, Amperes Potencia, kW Identificación 1-N 2-N 3-N

Voltaje prom. Fase 1 Fase 2 Fase 3 1-N 2-N 3-N

Bomba agua de enfriamiento a eyectores

245 245 246 245.3 52 48.6 50.9 10.7 10.1 10.9


247 246 246 246.3 51.8 50.7 51.5 10.9 10.9 10.9

Compresor Mycom I 244.0 244.0 244.0 244.0 30.2 31.0 30.9 6.3 6.5 6.5

Bomba de salmuera a equipos 247.0 246.0 247.0 246.7 20.7 20.4 21.0 4.5 4.5 4.6

Bomba de tanque elevado 243.0 242.0 242.0 242.3 21.4 20.4 21.7 4.5 4.2 4.5

Mediciones en Motores Estándar (cont.)

Mediciones en Motores F.P., % Identificación

1-N 2-N 3-N Corriente promedio

Voltaje promedio entre

fases F.P., %

Bomba agua de enfriamiento a eyectores 84% 85% 87% 50.5 424.93 85%

Bomba agua de enfriamiento a reactores 85% 87% 86% 51.3 426.66 86%

Compresor Mycom I 86% 86% 86% 30.7 422.62 86%

Bomba de salmuera a equipos 88% 89% 89% 20.7 427.24 89%

Bomba de tanque elevado 86% 86% 86% 21.2 419.73 86%

La evaluación de los parámetros eléctricos se muestra en la Tabla 12. En ella se presentan la potencia eléctrica total de las tres fases, el porcentaje de carga al cual está trabajando el motor, la eficiencia al porcentaje de carga, la diferencia y desbalanceo de voltaje, la eficiencia ajustada (por desbalanceo y diferencia de voltaje y reembobinado), el factor de potencia y el motor de alta eficiencia adecuado.

Condiciones de Operación de los Motores Estándar Condiciones de Operación

Identificación Potencia Eléctrica

, kW

Porcentaje de Carga

Eficiencia al %

de carga.

Dif. de voltaje

Desb. de voltaje

Eficiencia

ajustada

Potencia en la

flecha, hp

Motor alta efi.

Adecuado, hp

Bomba agua de enfriamiento a eyectores.

31.72 94.60% 85.94% -3.43% 0.27% 85.78% 36.47 50.0

Bomba agua de enfriamiento a reactores.

32.62 97.30% 85.96% -3.03% 0.27% 85.83% 37.54 50.0

Compresor Mycom I. 19.33 53.17% 86.25% -3.95% 0.00% 86.03% 22.29 30.0 Bomba de salmuera a equipos.

13.58 107.42% 84.55% -2.90% 0.27% 84.43% 15.37 20.0

Bomba de tanque elevado. 13.23 104.66% 84.58% -4.61% 0.28% 84.29% 14.95 20.0

60

Algunos puntos importantes por comentar de la anterior tabla son: • El porcentaje de carga al cual están trabajando los motores es cercano al 100%, a excepción

del motor del compresor, lo que indica que se encuentran trabajando a su máxima capacidad, esto provoca un sobrecalentamiento en el interior del motor que puede dañar el aislamiento y el embobinado causando la falla del equipo. A continuación se presentan las gráficas de voltaje, corriente y potencia de las bombas de agua de enfriamiento para eyectores de vacío y reactores que confirman la operación al límite de los equipos (Figuras 1 a 8).

Curvas de Voltaje - Bomba Agua de Enfriamiento a Eyectores

2 3 0

2 3 2

2 3 4

2 3 6

2 3 8

2 4 0

2 4 2

2 4 4

2 4 6

2 4 8

2 5 0

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 0

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 5

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 0

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 5

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 0

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 5

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 0

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 5

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 0

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 5

T i e m p o , f e c h a h : m m

Vol

taje

, V

V 1

V 2

V 3

Curvas de Corriente – Bomba Agua de Enfriamiento a Eyectores

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 0 A M

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 5 A M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 5 P M


Cor

rien

te, A

I 1

I 2

I 3

61

Curva de Potencia – Bomba Agua de Enfriamiento a Eyectores

2 5

2 6

2 7

2 8

2 9

3 0

3 1

3 2

3 3

3 4

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 0 A M

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 5 A M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 5 P M


Pot

enci

a, k

W

Curva del Factor de Potencia – Bomba Agua de Enfriamiento a Eyectores

0

0 . 1

0 . 2

0 . 3

0 . 4

0 . 5

0 . 6

0 . 7

0 . 8

0 . 9

1

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 0 A M

1 4 / 5 / 9 81 1 : 5 5 A M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 1 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 2 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 2 : 3 5 P M


Fac

tor

de P

oten

cia

Curva de Voltaje – Bomba Agua de Enfriamiento a Reactores

2 2 0

2 2 5

2 3 0

2 3 5

2 4 0

2 4 5

2 5 0

1 4 / 5 / 9 81 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 3 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 5 0 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 3 5 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 5 0 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 2 0 P M


Vol

taje

, V

V 1

V 2

V 3

62

Curvas de Corriente – Bomba Agua de Enfriamiento a Reactores

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

6 0

1 4 / 5 / 9 81 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 3 5 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 5 0 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 2 0 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 3 5 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 5 0 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 0 5 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 2 0 P M


Cor

rien

te, A

I 1

I 2

I 3

Curva de Potencia – Bomba Agua de Enfriamiento a Reactores

0

5

1 0

1 5

2 0

2 5

3 0

3 5

1 4 / 5 / 9 81 : 1 2 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 2 6 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 4 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 5 5 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 0 9 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 2 4 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 3 8 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 5 2 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 0 7 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 2 1 P M


Pot

enci

a, k

W

Curva del Factor de Potencia – Bomba Agua de Enfriamiento a Reactores

0 . 5 0

0 . 5 5

0 . 6 0

0 . 6 5

0 . 7 0

0 . 7 5

0 . 8 0

0 . 8 5

0 . 9 0

0 . 9 5

1 . 0 0

1 4 / 5 / 9 81 : 1 2 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 2 6 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 4 0 P M

1 4 / 5 / 9 81 : 5 5 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 0 9 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 2 4 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 3 8 P M

1 4 / 5 / 9 82 : 5 2 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 0 7 P M

1 4 / 5 / 9 83 : 2 1 P M


Fac

tor

de P

oten

cia

63

En la Figura 8 se presenta la curva de potencia del motor de la bomba agua de enfriamiento para eyectores de vacío, la potencia demandada es de 31.7 kW lo que significa que el motor se encuentra trabajando al 94.60 % de factor de carga. En la Figura 12 se presenta la curva de potencia del motor de la bomba agua de enfriamiento para reactores, la potencia que demanda dicho motor es de 32.62 kW en promedio significa que el motor se encuentre trabajando al 97.30 % de factor de carga. • Los motores de las bombas de salmuera a equipos y del tanque elevado se encuentran

trabajando a un porcentaje de carga superior al 100%. Estos equipos se han quemado y reembobinado debido al sobrecalentamiento al trabajar a una capacidad superior a la de diseño. Se recomienda realizar el reemplazo por un motor de alta eficiencia de mayor capacidad, 20 hp. No se recomienda disminuir el tamaño del impulsor debido a que la demanda del sistema de refrigeración es insuficiente para los requerimientos del proceso.

• El motor del compresor Mycom I se encuentra trabajando al 50% de factor de carga. El

acoplamiento entre el motor y el compresor es por medio de 6 bandas en V; sin embargo, se encuentra en malas condiciones ya que las bandas se encuentran flojas y solo tienen 4 de ellas. Se recomienda tensar bandas e incluir las dos faltantes. La baja potencia que se registró en la etapa de mediciones se debe principalmente a las malas condiciones del acoplamiento, además de producirse pérdidas de energía en la transmisión motor - compresor.

• La diferencia de voltaje en los motores se encuentra entre un 2.9 % y 4.61 %. El voltaje del

motor debe mantenerse lo más cercano al valor indicado en la placa con una desviación máxima del 5%. Si la desviación fuera superior al 10% el motor incrementaría la corriente para producir el par requerido por la carga. Esto causaría un incremento en las pérdidas del tipo I2R, lo que reduce la vida del aislamiento y por lo tanto la del motor.

• El desbalanceo del voltaje en todos los motores es inferior al 0.30 % el cual es relativamente

bajo y no afecta la operación de los equipos electromotrices. • En la última columna se propone la potencia del motor de alta eficiencia adecuado para cada

una de las aplicaciones. Como se puede observar se propone la operación de motores de mayor capacidad para que operen a un porcentaje de carga del 75% aproximadamente.

En la siguiente tabla se presentan las condiciones de operación del motor de alta eficiencia adecuado a las necesidades actuales del proceso.

Tabla 4. Operación del Motor de Alta Eficiencia Nuevo Motor de Alta Eficiencia

Identificación Potencia hp rpm Porcentaje

de carga Eficiencia al %

de carga

Potencia demandada,

kW

Horas de operación al

año Bomba agua de enfriamiento a eyectores

50.0 3530 72.94% 94.1% 28.91 8000


50.0 3530 75.07% 94.1% 29.76 8000

64

Nuevo Motor de Alta Eficiencia

Identificación Potencia hp rpm Porcentaje

de carga Eficiencia al %

de carga

Potencia demandada,

kW

Horas de operación al

año Compresor Mycom I 30.0 1465 74.29% 94.3% 17.63 8,000

Bomba de salmuera a equipos 20.0 1745 76.86% 93.1% 12.32 8,000

Bomba de tanque elevado 20.0 1745 74.76% 93.1% 11.98 8,000

El reemplazo de motores estándar por motores de alta eficiencia permite trabajar a un porcentaje de carga cercano al 75 % con lo cual el motor trabaja a su máxima eficiencia, logrando una demanda eléctrica menor a la actual. En la siguiente tabla se presentan los resultados de los ahorros energéticos y económicos alcanzados con el reemplazo de motores estándar por motores de alta eficiencia.

Ahorros de Energía y Económicos por la Sustitución de Motores Estándar

por Motores de Alta Eficiencia Evaluación económica por la sustitución de motores estándar por motores de alta eficiencia

Tarifa OM región Sur del mes de mayo de 1998

Costo por Demanda: 46.177 $/kW

Costo por Consumo: 0.33215 $/kWh

Ahorros en Energía Eléctrica Ahorros Económicos Anuales

Identificación Ahorro en demanda,

kW

Ahorro por Consumo, kWh/año

Por Demand

a

Por Consum

o

Ahorro total

Inversión, $

P.S.R.

Bomba agua de enfriamiento a eyectores

2.81 22,461 $1,556 $7,461 $9,016 $19,734 2.2


2.87 22,933 $1,588 $7,617 $9,206 $19,305 2.1

Compresor Mycom I 1.70 13,577 $940 $4,510 $5,450 $13,332 2.4

Bomba de salmuera a equipos 1.26 10,081 $698 $3,348 $4,047 $8,576 2.1

Bomba de tanque elevado 1.25 10,025 $694 $3,330 $4,024 $8,576 2.1

Total 9.88 79,077 $5,477 $26,265 $31,743 $69,523 2.2

Los ahorros totales calculados son de 9.88 kW al mes que representan el 4.9 % de la demanda promedio. El ahorro en el consumo de energía es de 79,077 kWh al año que representa el 5.6 % del consumo de energía que se tienen en un año. El ahorro económico total al año es de $31,743. Ejemplo con la bomba de agua de enfriamiento a eyectores: Potencia eléctrica medida en el motor estándar (Tabla 12) = 31.72 kW. Potencia eléctrica simulada en motor de alta eficiencia (Tabla 13) =28.91 kW.

65

Ahorro en Demanda = 31.72 kW - 28.91 kW = 2.81 kW Ahorro Económico por Demanda = 2.81 kW x $46.177 por kW x 13 meses/año = $1,557 al año Ahorro Económico por Consumo = 2.81 kW x 8,000 horas/año x $0.33215 por kWh = $7,466 al año

Facturación Eléctrica durante 1997

Mes Consumo, kWh Demanda máxima, kW F. P. % F. C. % Total a pagar,

M.N.

Enero 141,000 270 89.970% 77.71% $66,349 Febrero 162,000 276 90.360% 84.33% $79,364 Marzo 97,200 282 91.170% 46.33% $52,740 Abril 177,000 282 90.180% 90.18% $81,779 Mayo 154,800 312 88.180% 60.80% $75,518 Junio 159,600 84 85.830% 272.99% $66,429 Julio 153,600 66 84.582% 334.38% $29,347 Agosto 50,640 124 84.596% 60.77% $25,315 Septiembre 138,600 312 84.588% 56.09% $27,363 Octubre 100,800 120 85.030% 116.67% $48,140 Noviembre 79,800 72 87.110% 177.62% $44,976 Diciembre

Promedio 128,640 200 87.418% 125% $54,302

Total 1,415,040 $597,320

Inversión Necesaria Para la aplicación de la medida de ahorro de energía eléctrica se requiere adquirir motores de alta eficiencia con un costo estimado de $69,523. Los precios no incluyen la instalación de los motores ya que ésta se puede realizar con el personal de la planta. Periodo de Recuperación de la Inversión A partir de los ahorros económicos obtenidos de $31,743 y considerando una inversión de $69,523, el período de recuperación de la inversión es de 2.2 años.

66

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 6: REEMPLAZO DE ILUMINACIÓN ACTUAL

Tabla Resumen Ahorro en Costos, $/año 20,269 Inversión Necesaria, $ 43,441 Período de Recuperación, años 2.1 Ahorro de Energía Eléctrica Consumo, kWh Demanda, kW

36,663 8.97

Situación Actual. En las instalaciones de AAA, S.A. de C.V. se cuenta con iluminación fluorescente, incandescente, cuarzo y vapor de mercurio en diferentes áreas de la empresa como oficinas administrativas, almacenes de materia prima y producto terminado. Sería conveniente realizar la conversión de luminarios utilizando lámparas de menor potencia con el fin de disminuir la potencia demandada. En este caso estás mantendrían los niveles de iluminación mínimos aceptables y en algunos casos se incrementarían por el uso de reflectores especulares acabado espejo en luminarios del tipo fluorescente. En la siguiente tabla se presentan los tipos de luminarios existentes actualmente en cada una de las áreas de la empresa. Mes de Evaluación: Tarifa OM, Región Sur Mayo 1998. Precio del kW $46.177 Precio del kWh $0.34521

Sistema de Iluminación Actual Localización Situación Actual

Tipo de Lámpara

Tipo de Luminar

ia

Número de

Lumin.

Potencia del

Luminario, W

Potencia del Area, kW

Horas de Op. Día

Días de

Op. Año

Consumo de

Energía, kWh/año

Costo por

Demanda, $/año

Costo por

Consumo, $/año

Costo Total al Año, $

Fluorescente

75 W LD

2 x 75 W T-12

7 144 1.008 12 312 3,774 $558.6 $1,302.8 $1,861.4

Fluorescente

39 W LD

2 x 39 W T-12

31 80 2.480 12 312 9,285 $1,374.2 $3,205.3 $4,579.5

Foco incandescente 75 W

Spots 8 75 0.600 12 312 2,246 $332.5 $775.5 $1,108.0


Spots 1 100 0.100 12 312 374 $55.4 $129.2 $184.7

Oficinas y Laboratorios

Foco luz difusa 75W

Spots 21 75 1.575 12 312 5,897 $872.7 $2,035.6 $2,908.4

67

Localización Situación Actual

Tipo de Lámpara

Tipo de Luminar

ia

Número de

Lumin.

Potencia del

Luminario, W

Potencia del Area, kW

Horas de Op. Día

Días de

Op. Año

Consumo de

Energía, kWh/año

Costo por

Demanda, $/año

Costo por

Consumo, $/año

Costo Total al Año, $

Fluorescente

75 W LD

2 x 75 W T-12

15 144 2.160 12 359 9,305 $1,196.9 $3,212.3 $4,409.2

Servicios Fluorescen

te 39 W LD

2 x 39 W T-12

2 80 0.160 12 359 689 $88.7 $237.9 $326.6

Fluorescente

75 W LD

2 x 75 W T-12

3 144 0.432 12 359 1,861 $239.4 $642.5 $881.8

Fluorescente

39 W LD

2 x 39 W T-12

7 80 0.560 12 359 2,412 $310.3 $832.8 $1,143.1


Spots 7 75 0.525 12 359 2,262 $290.9 $780.8 $1,071.7


Spots 10 100 1.000 12 359 4,308 $554.1 $1,487.2 $2,041.3

Almacenes

Cuarzo 500 W

Reflector 2 510 1.020 12 359 4,394 $565.2 $1,516.9 $2,082.1

Fluorescente

75 W LD

2 x 75 W T-12

4 144 0.576 12 359 2,481 $319.2 $856.6 $1,175.8

Taller Fluorescen

te 39 W LD

2 x 39 W T-12 2 80 0.160 12 359 689 $88.7 $237.9 $326.6

Alumbrado perimetral

Vapor de mercurio 175 W

A prueba de

intemperie

11 180 1.980 12 359 8,530 $1,097.2 $2,944.6 $4,041.8

TOTAL 14.336 58,509 $7,943.9 $20,197.9

$28,141.9

Recomendación Realizar el reemplazo del sistema de iluminación actual por uno más eficiente ahorrador de energía. La tabla siguiente muestra la propuesta para el sistema de iluminación.

Sistema de Iluminación Propuesto Localización Situación Propuesta

Tipo de Lámpara

Tipo de Luminar

ia

Número de

Luminarias

Potencia del

Luminario, W

Potencia del Area,

Kw

Consumo de

Energía, kWh/año

Costo por Demanda,

$/año

Costo por

Consumo, $/año

Costo Total al

Año


Fluorescente 32 W T-

8

2 x 32 W T-8 en línea

7 72 0.50 1,887 $279.3 $651.4 $930.7

68

Localización Situación Propuesta

Tipo de Lámpara

Tipo de Luminar

ia

Número de

Luminarias

Potencia del

Luminario, W

Potencia del Area,

Kw

Consumo de

Energía, kWh/año

Costo por Demanda,

$/año

Costo por

Consumo, $/año

Costo Total al

Año

Fluorescente 32 W T-

8

1 x 32 W T-8

31 40 1.24 4,643 $687.1 $1,602.7 $2,289.8

Fluorescente

compacta 13W

Spots 8 18 0.14 539 $79.8 $186.1 $265.9

Fluorescente

compacta 13W

Spots 1 18 0.02 67 $10.0 $23.3 $33.2

Fluorescente

compacta 13W

Spots 21 18 0.38 1,415 $209.5 $488.6 $698.0

Fluorescente 32 W-T8


15 72 1.08 4,653 $598.5 $1,606.1 $2,204.6 Servicios


1 x 32 W T-8

2 40 0.08 345 $44.3 $119.0 $163.3



3 72 0.22 931 $119.7 $321.2 $440.9


1 x 32 W T-8

7 40 0.28 1,206 $155.2 $416.4 $571.6

Fluorescente

compacta 13W

Spots 7 18 0.13 543 $69.8 $187.4 $257.2

Fluorescente

compacta 13W

Spots 10 18 0.18 775 $99.7 $267.7 $367.4

Almacenes

Aditivos Metálicos

175 W Reflector 2 180 0.36 1,551 $199.5 $535.4 $734.9



4 72 0.29 1,241 $159.6 $428.3 $587.9 Taller


1 x 32 W T-8

2 40 0.08 345 $44.3 $119.0 $163.3


Fluorescente

compacta 13W

Luminario para

sobreponer 2 x 13

W y reflector

11 36 0.40 1,706 $219.4 $588.9 $808.4

TOTAL 5.37 21,846 $2,975.6 $7,541.4 $10,517.0

69

Los ahorros energéticos y económicos que se obtienen por el reemplazo de luminarios se muestran en la siguiente tabla.

Ahorros Período de Recuperación

Localización En Demanda

kW

En Consumo

kWh

Ahorro Económico

antes de IVA, $

Ahorro Económico después de

IVA, $

Inversión, $ Tiempo de

Recuperación en años

0.50 1,887 $930.7 $1,070.3 $3,136 2.93

1.24 4,643 $2,289.8 $2,633.2 $9,207 3.50

0.46 1,707 $842.0 $968.4 $1,800 1.86

0.08 307 $151.4 $174.1 $225 1.29


1.20 4,482 $2,210.4 $2,541.9 $4,725 1.86

1.08 4,653 $2,204.6 $2,535.3 $6,720 2.65 Servicios

0.08 345 $163.3 $187.8 $594 3.16

0.22 931 $440.9 $507.1 $1,344 2.65

0.28 1,206 $571.6 $657.3 $2,079 3.16

0.40 1,719 $814.5 $936.6 $1,575 1.68

0.82 3,533 $1,673.9 $1,924.9 $2,250 1.17

Almacenes

0.66 2,843 $1,347.3 $1,549.3 $2,450 1.58

0.29 1,241 $587.9 $676.1 $1,792 2.65 Taller

0.08 345 $163.3 $187.8 $594 3.16


1.58 6,824 $3,233.4 $3,718.4 $4,950 1.33

TOTAL 8.97 36,663 $17,624.8 $20,268.6 $43,441 2.14

Inversión Requerida La inversión requiere de comprar el siguiente equipo con un costo estimado de $43,441: • Conversión de luminario 2 x 75 W T-12 a 2 x 32 W T-8 en línea con reflector especular. • Conversión de luminario 2 x 32 W T-8 a 1 x 32 W T-8 reflector especular. • Conversión de foco incandescente de 75 y 100 W por fluorescente compacta de 13 W. • Lámparas de aditivos metálicos de 175 W. • Luminario de 2 x 13 W fluorescente compacto con reflector de aluminio especular. Periodo de Recuperación de la Inversión De acuerdo a los ahorros económicos de $20,268.6 obtenidos por la aplicación de la medida y la inversión que se requiere de $43,441, el periodo de recuperación de la inversión es de 2.1 años.

70

Comentarios Se tienen diferentes periodos de recuperación que van desde 1.17 a 3.5 años. En el documento se presentan todas las conversiones en el sistema de iluminación que se pueden aplicar con el fin de obtener ahorro de energía eléctrica, manteniendo los niveles de iluminación; sin embargo, la selección del reemplazo depende de las políticas de la empresa en cuanto al período de recuperación de la inversión.

71

OPORTUNIDAD DE AHORRO DE ENERGÍA NO. 7: AISLAMIENTO EN LA TUBERIA DE SALMUERA

Tabla Resumen Ahorro en Costos, $/año 19,949 Inversión Necesaria, $ 8,828 Período de Recuperación, meses 5 Ahorro de Energía Eléctrica Consumo, kWh/año

57,299

Situación Actual Durante la visita a la planta se identificó que la línea de distribución de agua helada se encuentra sin aislamiento. La tubería tiene un diámetro de 3 pulgadas y una longitud de 95 metros desde los tanques de almacenamiento de salmuera (mezcla de agua con un 25% a un 30 % de metanol) a las torres de proceso, y otros 90 metros de tubería de retorno al tanque. Cabe señalar que este circuito de agua helada se encuentra dividido en dos zonas, la primera es un circuito de recirculación entre el tanque de almacenamiento de agua helada y el equipo de refrigeración (Compresores Mycom I y II). Este circuito tiene aislamiento salvo algunas secciones que se encuentran deterioradas. El segundo circuito que es el que va del tanque de almacenamiento de salmuera a las torres de proceso es el que se encuentra sin aislamiento y que en esta ficha técnica se evaluará. Recomendación Instalar aislamiento térmico en la línea de distribución de salmuera (agua helada). Suposiciones y Cálculos Debido a los problemas que se presentan al no alcanzar el enfriamiento necesario en los reactores es importante evaluar las pérdidas de energía que se generan por la falta de aislamiento y asociarlas al consumo de energía eléctrica que se requiere en el sistema de refrigeración. La salmuera llega a proceso a una temperatura de -3.7 ºC y retorna al tanque a -2.2 ºC. La temperatura promedio a lo largo del trayecto del tanque es de -2.95 ºC. Primero se evalúa la pérdida de energía por la falta de aislamiento en la tubería. 1. Memoria de cálculo 1.1 Cálculo de las pérdidas de calor en líneas (tuberías)7 1.- Cálculo del diámetro aislado

espesordoda ×2+=

7 Para el cálculo de la pérdida o ganancia de calor se emplearán las relaciones contenidas en la Norma Oficial Mexicana NOM-009-1995, Eficiencia Energética en Aislamientos Térmicos Industriales.

72

2.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )( ) ( ) 5.04266.0181.0

2.0 ×10×9366.7+1×sup×8.1×44.510+sup

11.1×××7241.2= Vta-t

-tatdaChc --


supsup

××10×9824.0=44

8

t-tat-ta

Emisividadhr -


hrhchs += 5.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )

dahsdoda

kais

ta-topq

×1

+ln××2

1×

=π


doda

kaisq

toptsc ln××2

+=π

7.- Convergencia de la temperatura de superficie. Si tsup = tsc, entonces las pérdidas de calor son igual a q y la temperatura en la superficie es tsc. En caso contrario, hacer tsup =tsc y regresar al punto No. 1 del procedimiento de tuberías. donde: C= Coeficiente de forma [1.016 para tuberías, adimensional]. ta = Temperatura ambiente[293.5 ºK]. tsup = Temperatura de la superficie de la tubería [270 K en superficie sin aislamiento]. V = Velocidad del viento [6 m/h aproximadamente]. do = Diámetro exterior de la tubería [0.0762 m]. Espesor = espesor del material aislante, [m]. top = temperatura de operación [K]. kais = Conductividad térmica del termoaislante, [K]. Emisividad = Emisividad de la superficie [para el acero es de 0.79, para el aluminio 0.2]. 1.2 Perdidas antes de aislar 1.- Cálculo del diámetro sin aislamiento térmico.

m doda 0762.0==

73

2.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección natural y forzada, desde la superficie hacia el ambiente, hc [W/m2 K].

( )[ ] ( ) 50426601810

20 610936671529327081445105293270

11107620016172412

...

. ××.+×.×.×..+

.×.×.×.= -- -

-hc

K W/m -hc 2246 .= 3.- Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por radiación, hr, (W/m2 K)

KmW -270-270-

hr - º/.=.

.×.××.= 2

448 700

52935293

7901098240


KW/m-6.94 =KW/m-0.70 +KW/m-6.24 =hs 222 5.- Cálculo del flux de calor, q, (W/m)

( )

mW

-39.04=

0.0762m×K6.94W/m-

1293.5K-270K×

q

2

π=

Calor perdido en la tubería sin aislar = h

kcal-6,211=W-7,222 =(185m)×

mW

39.04-

Calor perdido en la tubería x horas de uso al año = añokcal

0-49,688,00=año

h8000×

hkcal

6,211-

Calor perdido en la tubería sin aislar al año = -49,688,000 kcal/año. Pérdida de energía = -49,688,000 kcal/año

Consumo de energía eléctrica perdida = kWh 787,57kcal

kWh0.001163

año

kcal 49,688,000 =×

Ahorro Económico Anual = 57,787 kWh x $.34521 $/kWh = $19,949 al año. Inversión necesaria Para llevar la medida de ahorro de energía se requiere comprar el siguiente material con un costo aproximado de $8,828: • Medias cañas de poliestireno para tubería de fierro de 3” de 0.0762 x 0.0127 x 1 m. • Aluminio corrugado calibre 32 de 0.90 m de ancho. • 4 kg de fleje de aluminio de 0.013 m de ancho.

74

• 600 sellos para fleje de 0.013 m de ancho. La inversión no incluye la mano de obra y la instalación la puede llevar a cabo el personal de mantenimiento. Periodo de Recuperación de la Inversión La medida de ahorro de energía tiene un periodo simple de recuperación de 5 meses Comentarios

La falta de aislamiento en la línea de agua helada provoca que los compresores trabajen un mayor número de horas lo cual repercute en un mayor consumo de energía eléctrica (kWh/año).

75

PLAN DE IMPLEMENTACIÓN

A continuación se presenta el plan tentativo de implementación de las opciones de producción más limpia generadas en el Proyecto de Demostración de Producción más Limpia para el Sector Químico.

Tabla de Resultados de las Oportunidades de Ahorro en el Área de Proceso

No. Oportunidades de Producción Más Limpia.

Beneficios Ambientales Kg/año

Fecha tentativa de Implementación

1 Sistema de Control de Adición de Bromo.

• Recuperación de desechos líquidos y sólidos: 6,480.

Octubre de 1998

2 Destilación Semicontinua y Condensador Secundario en R-40.

• Reducción de emisiones de tolueno: 59,736.

• Ahorro de agua de enfriamiento: 385,092.

• Ahorro de vapor: 38,432.

Octubre de 1999

3 Condensador Secundario en R-42 o Cambio de Fluido de Enfriamiento.

• Reducción de emisiones de tolueno: 6,750.

Abril de 1999

Tabla de Resultados de las Oportunidades de Ahorro de Energía Térmica

Ahorro de Energía Térmica

No.

Oportunidad de Ahorro de Energía

Por Consumo de Combustoleo litros/año


1 Reducción del exceso de aire en la caldera Powermaster 200 CC.

44,412 Abril de 1999

2 Reemplazo de eyectores por bomba de vacío. 15,493 Abril del 2000

3 Aislamiento en tuberías y tanque de condensados. 3,235 Octubre de 1999

Tabla de Resultados de las Oportunidades de Ahorro de Energía Eléctrica

Ahorro de Energía Eléctrica

No.

Oportunidad de Ahorro de Energía

Por Consumo de Energía Eléctrica

kWh/año

Por Potencia Demandada

kW


4 Instalación de un banco de

capacitores. - - Abril del 2000

5 Reemplazo de motores estándar

reembobinados por motores de alta eficiencia.

33,683 4.21 Abril del 2000

6 Reemplazo de iluminación actual. 36,663 8.97 Abril del 2000 7 Aislamiento en la tubería de salmuera 57,299 - Abril de 1999

76

BIBLIOGRAFÍA (1) Perry H. Robert & Green Don, “Perry´s Chemical Engineers´ Handbook”, McGraw Hill, 1984, 6ª . edición, p.p.3-237, 3-278 (2) Reid C. Robets & Praunitz John M., “The Properties of Gases and Liquids”, New York, McGraw Hill, 1987, 4ª edición, p.p. 15, 16, 126, 136 y 190. (3) Perry H. Robert & Chilton H. Cecil, “Chemical Engineers´ Handbook”, McGraw Hill, 5ª edición, p.p.3-239. (4) Paquette A. Leo, “Fundamentos de Química Heterocíclica”, Editorial Limusa, 1ª edición, p.p. 189-220. (5) Williams Edwin, Curtis Johnson, “Stoichiometry for Chemical Engineers”, Mc Graw Hill, 1958, p.p. 200 - 205. (6) Dean A. John, “Lange´s Handbook of chemistry” , USA, McGraw Hill, 1992, 14ª edición. (7) Kern Q. Donald, “Procesos de Transferencia de Calor”, USA, McGraw Hill, 1980. (8) Holman J.P., “Heat Transfer”, Japan, McGraw Hill, 1976, 4ª edición.

informe planta químicapara el desarrollo de los cálculos de flujos de fluidos se necesitaron datos...

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