memoria para recuperador de gases

MEMORIA DE CALCULO DIAGRAMA DE FLUJO DE PROCESO

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ESPECIALIDAD: PROCESO APROBO CLIENTE:

ING. “DISEÑO DE UN DUCTO RECUPERADOR DE GASES DE

COMBUSTION” REVISIÓN: FECHA:

A 15/AGOSTO/2008

DOCUMENTO: MEMORIAS DE CÁLCULO DE DIAGRAMA DE FLUJO.

PROYECTO: “INGENIERIA BASICA Y DE DETALLE PARA EL DISEÑO DE DUCTO RECUPERADOR DE GASES DE COMBUSTION”

REFERENCIAS: “PRUEBAS DE COMBUSTION EN CALDERAS”

CONTROL DE REVISIONES

REV. FECHA OFICIO GERENTE CLIENTE

DESCRIPCIÓN OFICIO CLIENTE GERENTE

AUT. DEL

CLIENTE FECHA

A 15/08/08 PARA REVISION Y/O COMENTARIOS


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CONTENIDO

PAG. 1.0 ALCANCE……..…………………………………………………………. 3 2.0 OBJETIVO……………………………………………………………….. 3 3.0 CONSIDERACIONES DE DISEÑO…………………………………… 3 4.0 RESUMEN DE RESULTADOS………………………………………… 5 5.0 CONCLUSIONES…………………………………………………………… 8 6.0 ECUACIONES…………………………………………………………… 9 7.0 DESARROLLO…………………………………………………………… 11 7.1 ESCENARIO 1. 100% DE AIRE FRESCO……………………………. 11 7.2 ESCENARIO 1 A. 70% DE AIRE FRESCO…………………………… 17 7.3 ESCENARIO 2. AIRE FRESCO Y 25% DE RECIRC……………….. 19 7.4 CASO 1. AIRE FRESCO Y 50% DE GASES DE COMB…………… 26 7.5 CASO 2. AIRE FRESCO Y 100% DE GASES DE COMB…………. 31 7.6 CASO 3. AIRE FRESCO, 25% RECIRC, 50% GASES COMB……. 34 7.7 CASO 4. AIRE FRESCO,25% RECIRC, 100% GASES COMB…… 38


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1.0- ALCANCE. La memoria de cálculo, cubre el balance de materia y energía de las corrientes que integran el diagrama de flujo de proceso del diseño del ducto recuperador de gases de combustión. El balance de materia y energía incluye, sin ser limitativo el cálculo de los siguientes parámetros: 1) Propiedades físico-químicas de las corrientes que integran el ducto. 2) Balance de Materia y energía con consumo de gas de cinco casos:

• Escenario 1. Calentando únicamente aire fresco. • Escenario 2. Aire fresco y recirculación. • Escenario propuesto 1. Aire fresco y 50% de recirculación gases de caldera. • Escenario propuesto 2. Aire fresco, 50% de recirculación de gases de caldera y

recirculación de aire de proceso e la torre. • Escenario propuesto 3. Aire fresco, 50% de recirculación de gases de caldera

y 25% recirculación de la torre. • Escenario propuesto 4. Aire fresco, 100% de recirculación de gases y 25% de

recirculación de la torre. 2.0-OBJETIVO. El objetivo de la presente memoria de cálculo es determinar las propiedades físico-químicas de las corrientes que integran el diagrama de flujo de proceso con la finalidad de tener los parámetros necesarios para el dimensionamiento de líneas, calculo de aislamiento, selección de equipos e instrumentos. La revisión de los cinco casos es con la finalidad de tener las siguientes condiciones:

• Paro de la caldera Nebraska. Escenarios 1 y 2. • Caldera operando al 50% de carga y recomendación del estudio de factibilidad. • Recomendación del cliente de emplear el 100% de los gases.

3.0-CONSIDERACIONES DE DISEÑO.

De los datos del estudio de factibilidad se considera un flujo de gases de combustión de la caldera Nebraska al 50% de carga de 34,380 lb/h.

La temperatura de los gases de combustión de acuerdo a dicho estudio es de 135ºC.

El volumen de aire a calentar para secado es de 53,000 ACFM a una T=450ºC y P=580mmHg.

La temperatura requerida del aire es de 325ºC en promedio. El aire de recirculación es de un 25% del total calentado. El consumo de gas combustible es de 650Nm3/h, operando con admisión de aire

fresco y 25% de recirculación.


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Se considera un poder calorífico superior del gas de: 9300Kcal/m3 (a condiciones estándar P=1atm y T=15.6ºC).

El poder calorífico inferior del gas es de: 8400Kcal/m3 (a condiciones estándar)

El combustible a emplear es Gas Natural con la siguiente composición de acuerdo al estudio de factibilidad:

COMPUESTO FORMULA % PM(mol/kg) PM promedio METANO CH4 90 16 14.4 ETANO C2H6 5 30 1.5 DIOXIDO DE CARBONO CO2 0 44 0 PROPANO C3H8 0 44 0 NITROGENO N2 5 28 1.4 TOTAL 100 17.3

Los gases de combustión de salida de la caldera Nebraska tienen la siguiente

composición.

COMPUESTO FORMULA % PM(mol/kg) PM PROM (mol/kg) DIOXIDO DE CARBONO CO2 10 44 4.4 AGUA H20 8 18 1.44 OXIGENO O2 5 32 1.6 NITROGENO N2 75 28 21.0 MONOXIDO DE CARBONO CO 0.5 28 0.14 OXIDO DE NITROGENO NO 0.5 30 0.15 BIOXIDO DE NITROGENO NO2 1 46 0.46 100 29.2

Se considera la siguiente composición para el aire.

COMPUESTO FORMULA % PM(mol/kg) PMpromedio(mol/kg) OXIGENO O2 21 32 6.72 NITROGENO N2 79 28 22.12 TOTAL 100 28.84

Se considera un promedio de 20% de exceso de aire para la combustión en el

calentador a fuego directo.


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4.0 RESUMEN DE RESULTADOS 4.1 SISTEMA INGLES.

PROPIEDADES CONDICIONES ACTUALES DE OPERACIÓN PROPUESTAS ESCENARIO

1 ESCENARIO

1A ESCENARIO

2 CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4

QREQUERIDO MMBTU/H 25.78 17.62 18.83 15.94 14.43 15.97 13.65

FLUJO DE COMBUSTIBLE SCFM 455.58 295.05 332.58 281.59 241.59 282 228.56

FLUJO AIRE PARA COMB SCFM 5625.55 3451.58 3887 3291.08 2984.87 3484.95 2671.22

PRECIO COMBUSTIBLE $USD/H 324.828 222.012 237.258 200.844 181.818 201.222 171.99

AIRE SECO

FLUJO MASICO LB/H 184,122 128,885.4 96,664.05 94,505.4 60,125 62,284.05 27,904.4

FLUJO VOLUMETRICO CFM 53,000 37,100 ----- ----- ----- ----- -----

T ENTRADA º F 60 60 60 60 60 60 60

TSALIDA º F 617 617 ----- ----- ----- ----- -----

25% RECIRCULACION

FLUJO MASICO LB/H ------ ----- 32,221.35 ----- ----- 32,221 32,221

T ENTRADA º F ------ ----- 122 ----- ----- 122 122

MEZCLA AIRE RECIRCULACION+AIRE FRESCO MEZCLA GAS DUCTO+RECIRCULACION

FLUJO MASICO LB/H ------ ----- 131,979.26 ----- ----- 66,601.5 100,981

T ENTRADA º F ------ ----- 82.76 ----- ----- ----- -----

T SALIDA º F ------ ----- 617 ----- ----- 195.78 218.3

50% GASES DUCTO

FLUJO MASICO LB/H ------ ----- ----- 34,380 ----- 34,380 -----

T ENTRADA º F ------ ----- ----- 275 ----- 275 -----

100% GASES DUCTO

FLUJO MASICO LB/H ------ ----- ----- ----- 68,760 ----- 68,760

T ENTRADA º F ------ ----- ----- ----- 275 ----- 275

MEZCLA 50% GASES+AIRE FRESCO

FLUJO MASICO LB/H ------ ----- ----- 128,885.4 ----- ----- -----

T ENTRADA º F ------ ----- ----- 110.6 ----- ----- -----

T SALIDA º F ------ ----- ----- 617 ----- ----- -----


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FLUJO MASICO LB/H ------ ----- ----- ----- 128,885.4 ----- -----

T ENTRADA º F ------ ----- ----- ----- 181.65 ----- -----

T SALIDA º F ------ ----- ----- ----- 617 ----- -----

MEZCLA 50% GASES+AIRE FRESCO+25% RECIRCULACION

FLUJO MASICO LB/H ------ ----- ----- ----- ----- 130,675.7 -----

T ENTRADA º F ------ ----- ----- ----- ----- 136.5 -----

T SALIDA º F ------ ----- ----- ----- ----- 617 -----


FLUJO MASICO LB/H ------ ----- ----- ----- ----- ----- 131,600.9

T ENTRADA º F ------ ----- ----- ----- ----- ----- 211

T SALIDA º F ------ ----- ----- ----- ----- ----- 617 *COSTO DE REFERENCIA INTERNACIONAL DEL GAS NATURAL 12.60 USD/MMBTU


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4.2 SISTEMA INTERNACIONAL.

PROPIEDADES CONDICIONES ACTUALES DE OPERACIÓN PROPUESTA ESCENARIO

1 ESCENARIO

1A ESCENARIO

2 CASO 1 CASO 2 CASO 3 CASO 4

QREQUERIDO MMKCAL/H 6.49 4.21 4.74 4.018 3.44 4.025 3.26 FLUJO DE COMBUSTIBLE Nm3/h 731.71 474.12 534.52 452.57 388.28 454.27 367.33 FLUJO AIRE PARA COMB Nm3/h 8888.9 5559.7 6267.97 5307.02 4813.25 5619.95 4307.47

PRECIO COMBUSTIBLE $M.N/H 4243.918 2749.896 3100.216 2624.906 2252.024 2634.766 2130.514

AIRE SECO

FLUJO MASICO kg/h 83,515.89 58,461.12 43,845.84 42,866.61 27,272.92 28,251.57 12,656.83

T ENTRADA º C 15.6 15.6 15.6 15.6 15.6 15.6 15.6

TSALIDA º C 325 325 ----- ----- ----- ----- -----

25% RECIRCULACION

FLUJO MASICO kg/h ------ ----- 14,615.28 ----- ----- 14,615.28 14,615.28

T ENTRADA º C ------ ----- 50 ----- ----- 50 50

MEZCLA AIRE RECIRCULACION+AIRE FRESCO MEZCLA GAS DUCTO+RECIRCULACION

FLUJO MASICO kg/h ------ ----- 58,461.12 ----- ----- 30,209.38 45,804.29

T ENTRADA º C ------ ----- 28.2 ----- ----- ----- -----

T SALIDA º C ------ ----- 325 ----- ----- 90.99 99.45

50% GASES DUCTO

FLUJO MASICO kg/h ------ ----- ----- 15,594.1 ----- 15,594.1 -----

T ENTRADA º C ------ ----- ----- 135 ----- 135 -----

100% GASES DUCTO

FLUJO MASICO kg/h ------ ----- ----- ----- 31,188.2 ----- 31,188.2

T ENTRADA º C ------ ----- ----- ----- 135 ----- 135


FLUJO MASICO kg/h ------ ----- ----- 58,461.12 ----- ----- -----

T ENTRADA º C ------ ----- ----- 43.7 ----- ----- -----

T SALIDA º C ------ ----- ----- 325 ----- ----- -----


FLUJO MASICO kg/h ------ ----- ----- ----- 58,461.12 ----- -----

T ENTRADA º C ------ ----- ----- ----- 83.14 ----- -----

T SALIDA º C ------ ----- ----- ----- 325 ----- -----


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FLUJO MASICO kg/h ------ ----- ----- ----- ----- 59,273.58 -----

T ENTRADA º C ------ ----- ----- ----- ----- 58.05 -----

T SALIDA º C ------ ----- ----- ----- ----- 325 -----


FLUJO MASICO kg/h ------ ----- ----- ----- ----- ----- 59,693.25

T ENTRADA º C ------ ----- ----- ----- ----- ----- 99.45

T SALIDA º C ------ ----- ----- ----- ----- ----- 325 *COSTO DE REFERENCIA $5.8/Nm3 5.0 CONCLUSIONES. De los resultados obtenidos, con cerrar la recirculación del aire proveniente de la torre de secado, se tendría un ahorro monetario aproximadamente de $350/h, por reducción de consumo de combustible. El diseñar un ducto aprovechando el 50% de los gases de combustión de la caldera NEBRASKA genera un ahorro monetario aproximado de $125/h. El diseñar un ducto aprovechando el 100% de los gases de combustión genera un ahorro monetario de aproximadamente $497/h. El diseño del ducto para el 100% de los gases de combustión, 25% de recirculación de la torre de secado y aire fresco generaría un ahorro aproximado de $619/h Del ahorro monetario que se puede obtener por el aprovechamiento de los gases producto de la combustión y que pueden hacer factible el presente proyecto son el caso 2 (100% de gases de combustión y aire fresco) y el caso 4 (100% de gases de combustión,25% de recirculación y aire fresco), por lo que el diagrama de tuberías e instrumentación contemplara la preparación para ambos casos con porcientos de apertura de las válvulas motorizadas. El diagrama de flujo de proceso se realizará para ambas opciones, así mismo en el dimensionamiento se contemplará el que la caldera este operando al 50% de carga el cual sería el caso 1.


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6.0- ECUACIONES. 6.1 COMBUSTION.

M v + M w+ Mz + My + M x = M NOSHCfuel

1)A - ( = A - A = Exhaust in O Moles 2 λλ

N 2v + O 1)A - ( + SOz + OH 2

y + CO x O A + NOSHC 222222vwzyx λλ →

6.2 DENSIDAD DE GASES. Donde: M= Peso molecular del gas (mol/Kg) P= Presión (Pa) R= constante de los gases. T= temperatura en (K)

R=Kmol

mPa×× 3

8314

R=Rlbmol

ftpsia×× 3

7314.10

6.3 BALANCE DE CALOR. Por ley de conservación: Q1=Q2 W1=W2 Q= W cpprom (T2-T1) Donde:

RTMP

=ρ

Q1 Q2

W1CP1T1 W2CP2T2

33 mkg

KKmol

mPa

Pakg

mol

=×

××

×=ρ


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Q=calor= kJ/h W= flujo másico = kg/h Cp= Calor especifico= kJ/kgK. T2= Temperatura de salida = K T1= Temperatura de entrada = K 6.4 DETERMINACION DE LA TEMPERATURA. W2Cp2 T2 W1Cp1T1 W3Cp3T3 Por Ley de conservación: W1 + W2 = W3

Q1 + Q2 = Q3

11

11

++

=+

∑=

nn

x

nnnn

n CpW

TcpWT

6.5 DETERMINACION DE CONSUMO DE GAS.

ICPQ

W reqfuel ..

.=

Donde: Wfuel= flujo másico del combustible. PCI= poder calorífico inferior del gas. Qreq= Calor requerido para calentamiento.


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7.0 DESARROLLO. 7.1 ESCENARIO 1. 100% DE AIRE FRESCO. 7.1.1 DETERMINACION DE LA DENSIDAD DEL AIRE A P=580mmHg y T= 325ºC. Datos: P.M= 28.84mol/kg

P= 580mmHg=

atm

PammHgatmmmHg

1101325

7601580 = 77326.97Pa

T= 325ºC = 273+325= 598K

R=Kmol

mPa×× 3

8314

3/4485.0

83145989.7732684.28 mkg=

××

=ρ

En sistema Ingles:

P= psiaatm

psiammHgatmmmHg 21.11

1696.14

7601580 =

T= RK 4.107659859

=×

CALENTADOR

A FUEGO DIRECTO

53,000ACFM

325ºC

GAS NATURAL

AIRE


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R=Rlbmol

ftpsia×× 3

7314.10

4.10767314.1021.1184.28

××

=ρ =0.028lb/ft3.

7.1.2 DETERMINACION DEL FLUJO MASICO A P=580mmHg y T=325ºC

W=hlb

hftlbft 12.023,89

1min60028.0

min000,53 3

3

=××

W=h

kglb

kghlb 94.379,40

145359.012.023,89 =×

Con la finalidad de aplicar la ley de conservación se re calculará la densidad y el flujo másico a temperatura Promedio de la Ciudad de México 23.4ºC (Manual de CFE) y a temperatura estándar 15.6ºC. 7.1.3 LEY DE CONSERVACION

22

2

11

1

TP

TP

ρρ=

Debido a que las presiones 1 y 2 son iguales la ecuación quedará como:

=

2

112 T

Tρρ

A T=23.4ºC

32 899.04.296

5984485.0cmkg

=

×=ρ 32 0564.0

52.5334.1076028.0

ftlb

=

×=ρ

W=hlb

hftlbft 352,179

1min600564.0

min000,53 3

3

=××

W=hkg

lbkg

hlb 27.81352

145359.0179352 =×


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A T=15.6ºC

32 929.06.288

5984485.0cmkg

=

×=ρ 32 0579.0

48.5194.1076028.0

ftlb

=

×=ρ

W=hlb

hftlbft 122,184

1min600579.0

min000,53 3

3

=××

W=hkg

lbkg

hlb 89.83515

145359.0184122 =×

7.1.4 BALANCE TERMICO. Debido a que los gases aumentan o disminuyen su volumen con respecto a la temperatura se opta para conservar la masa, el considerar las condiciones estándar para homogenizar de tal forma que: T= 15.6ºC. cp =1.005kJ/kgK

cp promedio=1.028 kJ/kgK Q= (83515.89 kg/h)(1.028kJ/kgK)(598-288.6)K Q= 27,199,457.62 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 92.189,780,25

194782.062.457,199,27 =

×

CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

83,515.89 kg/h 83,515.89 kg/h

T=325ºC Cp=1.051kJ/ kgK

184,122 lb/h 184,122 lb/h


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Calculando la cantidad de gas natural.

Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 40.720,497,6

186.4162.457,199,27 =

×

W= hsmsmkcal

hkcal /53.773/8400

/40.720,497,6 33 =

A condiciones normales T=0ºC

2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

71.7316.288

27353.773 =

×

Calculando la cantidad de aire necesaria para la combustión considerando un 20% de exceso de aire 0.9CH4 + 0.05C2H6 +0.05 N2 + 1.2ath(O2+3.76N2) xCO2 + yH2O + zN2 Los coeficientes desconocidos se encuentran de:

% C H 0 N CH4 0.9 1 4 0 0

C2H6 0.05 2 5 0 0 N2 0.05 0 0 0 1

C H 0 N CH4 0.9 3.6 0 0

C2H6 0.1 0.3 0 0 N2 0 0 0 0.05

total 1.0 3.9 0 0.05


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C: 1.0 =x x= 1.0 H: 3.9 =2y y= 1.93 O2: 1 x + 0.5 y ath= 1.963 N2 0.05 + 3.8 ath z= 7.433

kgcombkgaire

kmolkgkmolkmolkgkmol

mcombm

AC aire 83.20)2963.1()/121(

)/8.28)(76.4963.12.1(.

=×+×

××==

Determinación de la densidad del gas natural a P=580mmHg y T=15.6ºC Datos: P.M= 17.3 mol/kg

P= 580mmHg=

atm

PammHgatmmmHg

1101325

7601580 = 77326.97Pa

T= 15.6ºC = 273+15.6= 288.6K

R=Kmol

mPa×× 3

8314

3/55.0

83146.2889.773263.17 smkg=

××

=ρ

Calculando la masa de gas para determinar la cantidad de aire para la combustión.

Wfuel= hkg

smkg

hsm 44.42555.0538.773 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 03.886244.42583.20 =×

Flujo volumétrico de aire a P=580mmHg y T=15.6ºC

V=min

05.5625min60

10579.0

34535.0103.8862

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××


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7.1.5 RESUMEN DE RESULTADOS EN BASE SECA. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO SISTEMA INTERNACIONAL: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 25,780,189.92BTU/H

53,000 ACFM 184,122 LB/H

T=617ºF

184,122LB/H

T=60ºF

GAS NAT. 455.28SCFM T=60ºF

AIRE 5625SCFM T=60ºF

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 6,497,720.4Kcal/h

83,515.89 kg/h 83,515.89 kg/h

T=15.6ºC T=325ºC

Gas natural 731.71Nm3/h

Aire 8888.9 Nm3/h


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7.2 ESCENARIO 1A 70% DE 53,000ACFM SERAN CALENTADOS CONSIDERANDO AIRE FRESCO.

7.2.1 BALANCE TERMICO. T= 15.6ºC. cp =1.005kJ/kgK

cp promedio=1.028 kJ/kgK Q= (58,461.12 kg/h)(1.028kJ/kgK)(598-288.6)K Q= 18,594,330.9 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 71.078,624,17

194782.09.330,594,18 =

×


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 36.243,210,4

186.41048,624,17 =

×

W= hsmsmkcal

hkcal /29.501/8400

/36.243,210,4 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

CALENTADOR A FUEGO DIRECTO

58,461.12 kg/h 58,461.12 kg/h

T=325ºC Cp=1.051kJ/ kgK

128,885.4 lb/h 128,885.4 lb/h


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W=h

Nm3

12.4746.288

27321.501 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 76.26055.012.474 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 83.543176.26083.20 =×

Flujo volumétrico de aire a P= 580mmHg y T=15.6ºC

V=min

58.3451min60

10579.0

34535.0183.5431

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××

7.2.3 RESUMEN DE RESULTADOS BASE SECA. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 17,624,078.71BTU/H

37,100 ACFM 128,885.4LB/H

T=617ºF

128,885.4LB/H

T=60ºF


AIRE 3451.58SCFM T=60ºF


HOJA 19 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

SISTEMA INTERNACIONAL: AIRE FRESCO 7.3 ESCENARIO 2. AIRE FRESCO Y 25% RECIRCULACION. AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 4,210,243.36Kcal/h

58,461.12 KG/H

T=325ºC

58,461.12KG/H

T=15.6ºC

GAS NAT. 474.12Nm3/h

AIRE 5559.7Nm3/h

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

37,100 ACFM 128,885.4 LB/H

T=617ºF

96,664.05LB/H

T=60ºF

GAS NAT.

AIRE

25% DE RECIRCULACION 32,221.35 LB/H 9275ACFM

T=122ºF


HOJA 20 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.3.1 BALANCE TERMICO BASE SECA. DATOS: AIRE FRESCO 7.3.1.1 CALCULO DE LA TEMPERATURA DE LA MEZCLA.

T=0055.112.461,58

)3230063.128.615,14()6.288005.184.845,43(×

××+××

T=297.30K T=24.3ºC 7.3.1.2 CALCULO DEL CALOR REQUERIDO. Q= ( 58,461.12kg/h)(1.028kJ/kgK)(598-297.30) Q= 18,071,478.03kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 31.508,128,17

194782.003.478,071,18 =

×

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Cp=1.051kJ/kgK

58,461.12kg/h

T=325ºC

43,845.84kg/h Cp=1.005 kJ/kgK

T=15.6ºC

GAS NAT.

AIRE

14,615.28kg/h cp=1.0063 kJ/kgK T= 50ºC

RECIRCULACION

58,461.12kg/h Cp=? T=?

MEZCLA


HOJA 21 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 78.855,091,4

186.4131.508,128,17 =

×

W= hsmsmkcal

hkcal /12.487/8400

/78.855,091,4 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

79.4606.288

27312.487 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 43.25355.079.460 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 09.527943.25383.20 =×


V=min

16.3350min60

10579.0

34535.0109.5279

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××


HOJA 22 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.3.1.3 RESUMEN CASO 2 BASE SECA. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO SISTEMA METRICO: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 17,128,508.31BTU/H

37,100 ACFM 128,885.4LB/H

T=617ºF

96,664.05LB/H

T=60ºF


AIRE 3350.16SCFM T=60ºF

32,221.35LB/H 25% RECIRCULACION T=122ºF

128,885.4LB/H T=75.74ºF

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 4,091,855.7Kcal/h

58,461.12kg/h

T=325ºC

43,845.84kg/h

T=15.6ºC


AIRE 5403.36Nm3/h

14,615.28kg/h 25% DE RECIRCULACION T=50ºC

58,461.12kg/h T=24.3ºC

MEZCLA

MEZCLA


HOJA 23 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.3.2 BALANCE TERMICO CONSIDERANDO LA HUMEDAD DE LA RECIRCULACION.

*DATOS DE LA CARTA PSICOMETRICA. La humedad específica y la entalpía de la mezcla se determinan a partir de la siguiente ecuación:

13

32

13

32

2

1

hhhh

mm

a

a

−−

=−−

=ϖϖϖϖ

44108

006.003.0

84.845,4328.615,14

3

3

3

3

−−

=−−

=h

hϖ

ϖ

Haciendo las iteraciones respectivas se obtiene: ω3= 0.024 kgH2O/kg aire seco. h3= 92 kJ/kg aire seco Con estas dos propiedades se ingresa a la carta psicométrica de donde se obtiene: T3=28.2ºC. φ3=100% Con los datos obtenidos se procede al balance térmico: Qaire seco+ Q agua = Q requerido

SECCION DE MEZCLADO

AIRE DE RECIRCULACION T1=50ºC SATURADO W1=14,615.28kg/h h1=108kJ/kgaire* ω1=0.03kgH2O/kgaire* AIRE FRESCO T2=15.6ºC φ= 54% W2=43,845.84kg/h h2=44kJ/kgaire* ω2=0.006kgH2O/kgaire*

MEZCLA DE ENTRADA AL CALENTADOR A FUEGO DIRECTO W3=W1+W2+WH2O T3 = ? φ3 = ? h3 =? ω3=?


HOJA 24 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

Qaire seco =(58461.12kg/h)(1.028kJ/kgK)(598-301.2)K Qagua= (0.024kgH2O/kg aire seco)(58,461.12kg aire seco)(4.88kJ/kgK)(598-301.2)K Q aire seco= 17,837,095.71 kJ/h Q agua= 2,032,179.62 kJ/h Q requerido= 19,869,275.33 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 54.496,832,18

194782.033.275,869,19 =

×


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 847.601,746,4

186.4133.275,869,19 =

×

W= hsmsmkcal

hkcal /07.565/8400

/847.601,746,4 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

52.5346.288

27307.565 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 98.29355.052.534 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 81.612398.29383.20 =×


V=min

00.3887min60

10579.0

34535.0181.6123

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××


HOJA 25 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.3.2.1 RESUMEN CASO 2 CONSIDERANDO LA HUMEDAD DE LA RECIRCULACION. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO SISTEMA METRICO: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 18,832,496.54BTU/H

131,979.26 LB/H

T=617ºF

96,664.05LB/H

T=60ºF

GAS NAT. 332.58 SCFM T=60ºF

AIRE 3887SCFM T=60ºF

32,221.35LB/H AIRE SECO 25% RECIRCULACION T=122ºF

128,885.4LB/H AIRE SECO 3093.86LB/H AGUA T=82.76ºF ω=100%

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Q= 4,746,601.84Kcal/h

59,864.18kg/h

T=325ºC

43,845.84kg/h

T=15.6ºC


AIRE 6267.97Nm3/h

14,615.28kg/h 25% DE RECIRCULACION T=50ºC

58,461.12kg/h aire seco 1403.06kg/h H2O T=28.2ºC

MEZCLA

MEZCLA


HOJA 26 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.4 CASO PROPUESTO 1. AIRE FRESCO Y 50% DE RECIRCULACION DE LOS GASES DE LA CALDERA NEBRASKA.

AIRE FRESCO 7.4.1 BALANCE TERMICO BASE SECA. AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

37,100 ACFM

128,885.4 LB/H

T=617ºF

94,505.4 LB/H

T=60ºF

GAS NAT.

AIRE

50% DE GASES DE COMB. 34,380 LB/H T=275ºF

MEZCLA 128,885.4LB/H T=?

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Cp=1.051kJ/kgK

58,461.12kg/h

T=325ºC

42,866.61kg/h Cp=1.005 kJ/kgK

T=15.6ºC

GAS NAT.

AIRE

58,461.12kg/h Cp=? T=?

MEZCLA

50% GASES COMB. 15,594.51kg/h cp= T=135ºC


HOJA 27 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.4.1.1 CALCULO DE LAS PROPIEDADES DE LOS GASES DE COMBUSTION. 7.4.1.1.1 DENSIDAD A P=580mmHg y T=135ºC. Datos: P.M= 29.2mol/kg

P= 580mmHg=

atm

PammHgatmmmHg

1101325

7601580 = 77326.97Pa

T= 135ºC = 135+325= 408K

R=Kmol

mPa×× 3

8314

3/665.0

83144089.773262.29 mkg=

××

=ρ

En sistema Ingles:

P= psiaatm

psiammHgatmmmHg 21.11

1696.14

7601580 =

T= RK 4.73440859

=×

R=Rlbmol

ftpsia×× 3

7314.10

4.7347314.1021.112.29

××

=ρ =0.041lb/ft3.


HOJA 28 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.4.1.1.2 CALOR ESPECIFICO A T= 135ºC.

COMPUESTO FORMULA % Cp

(kJ/kgK) cpPROM (kJ/kgK) DIOXIDO DE CARBONO CO2 10 0.939 0.093900 AGUA H20 8 1.900 0.152000 OXIGENO O2 5 0.941 0.047050 NITROGENO N2 75 1.044 0.783000 MONOXIDO DE CARBONO CO 0.5 1.047 0.005235 OXIDO DE NITROGENO NO 0.5 BIOXIDO DE NITROGENO NO2 1 100 1.081

7.4.1.2 TEMPERATURA DE LA MEZCLA.

T=043.112.461,58

)408081.151.594,15()6.288005.161.866,42(×

××+××

T=316.7K T=43.7ºC 7.4.1.3 CALCULO DEL CALOR REQUERIDO. Q= ( 58,461.12 kg/h)(1.023kJ/kgK)(598-316.7) Q= 16,823,350.66 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 22.508,945,15

194782.066.350,823,16 =

×


HOJA 29 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 2.956,018,4

186.4166.350,823,16 =

×

W= hsmsmkcal

hkcal /44.478/8400

/2.956,018,4 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

57.4526.288

27344.478 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 91.24855.057.452 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 96.518491.24883.20 =×


V=min

08.3291min60

10579.0

34535.0196.5184

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××


HOJA 30 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.4.2 RESUMEN CASO PROPUESTO 1. 50% GASES DE COMBUSTION BASE SECA. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO SISTEMA METRICO: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO Q=15,945,508.22BTU/H

37,100 ACFM

128,885.4 LB/H

T=617ºF

94,505.4 LB/H

T=60ºF


MEZCLA 128,885.4LB/H T=110.6ºF

GAS NATURAL 281.59SCFM

AIRE 3291.08 SCFM

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO Q=4,018,956.2KCAL/H

58,461.12kg/h

T=325ºC

42,866.61

T=15.6

50% DE GASES DE COMB. 15,594.51kg/h T=135ºC

MEZCLA 58,461.12 kg/h T=43.7ºC

GAS NATURAL 452.57Nm3/h

AIRE 5307.02Nm3/h


HOJA 31 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.5 CASO PROPUESTO 2. AIRE FRESCO Y 100% DE RECIRCULACION DE LOS GASES DE LA CALDERA NEBRASKA.

AIRE FRESCO 7.5.1 BALANCE TERMICO BASE SECA. AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

37,100 ACFM

128,885.4 LB/H

T=617ºF

60,125.4 LB/H

T=60ºF

GAS NAT.

AIRE


MEZCLA 128,885.4LB/H T=?

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

Cp=1.051kJ/kgK

58,461.12kg/h

T=325ºC

27,272.27kg/h Cp=1.005 kJ/kgK

T=15.6ºC

GAS NAT.

AIRE

58,461.12kg/h Cp=? T=?

MEZCLA

100% GASES COMB. 31,188.84 kg/h cp= 1.08kJ/kgK T=135ºC


HOJA 32 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.5.1.1 TEMPERATURA DE LA MEZCLA.

T=043.112.461,58

)408081.184.188,31()6.288005.127.272,27(×

××+××

T=356.14K T=83.14ºC 5.3.1.3 CALCULO DEL CALOR REQUERIDO. Q= ( 58,461.12 kg/h)(1.077kJ/kgK)(598-356.14) Q= 15,228,140.78 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 83.231,433,14

194782.078.140,228,15 =

×


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 02.977,447,3

186.4184.231,433,14 =

×

W= hsmsmkcal

hkcal /47.410/8400

/026.977,447,3 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

28.3886.288

27347.410 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 75.22555.047.410 3

3

=×


HOJA 33 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 55.470275.22583.20 =×


V=min

87.2984min60

10579.0

34535.0155.4702

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××

7.5.2 RESUMEN CASO PROPUESTO 2. 100% GASES DE COMBUSTION BASE SECA. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO SISTEMA METRICO: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO


37,100 ACFM

128,885.4 LB/H

T=617ºF

60,125.4 LB/H

T=60ºF


MEZCLA 128,885.4LB/H T=181.65ºF

GAS NATURAL 241.59SCFM

AIRE 2984.87 SCFM

CALENTADOR A FUEGO


58,461.12kg/h

T=325ºC

27,272.92

T=15.6


MEZCLA 58,461.12 kg/h T=83.14ºC

GAS NATURAL 388.28m3/h

AIRE 4813.25m3/h


HOJA 34 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.6 CASO PROPUESTO 3. AIRE FRESCO, 50% DE RECIRCULACION DE LOS GASES DE COMBUSTION Y 25% DE RECIRCULACION HUMEDA.

AIRE FRESCO 7.6.1.1 TEMPERATURA DE LAS MEZCLAS. Debido a que la mezcla 1 no son dos corrientes de aire se hace necesario calcular primeramente la cantidad de agua que tendrá la mezcla 1 y a partir de esa cantidad de agua calcular la temperatura de mezcla con los tres calores (agua, aire seco y gases). 1) Se considera que los gases de combustión tienen un 0.8% de humedad 2) Con la humedad se procede a calcular la presión parcial. Pa=P-Pv Donde: Pv=φPg=φPsat@135ºC=(0.008)(325kPa) Pv= 2.6kPa Considerando que el gas de combustión viene atmosférico: Pa= (77.32kPa-2.6kPa) Pa=74.72kPa La humedad del los gases de combustión será

askgOkgHPPP

v

v deg/0216.0)6.232.77()6.2*622.0(622.0

2=−

=−

=ϖ

3) Con este dato se iterara para sacar la humedad de la mezcla:

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

37,100 ACFM

128,885.4 LB/H

T=617ºF

62,284.05 LB/H

T=60ºF

GAS NAT.

AIRE


MEZCLA2 128,885.4LB/H T=?


25% DE RECIRCULACION. 32,221LB/H T=122ºF


HOJA 35 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

13

32

2

1

ϖϖϖϖ

−−

=WW

0317.00216.0

28.615,141.594,15

3

3

−−

=ϖ

ϖ

ω3=0.02654kg de H2O/kg de mezcla seca. TEMPERATURA MEZCLA 1

T=125.1012.022,31

)174.438.3020902654.0()408081.11.15594()323005.128.615,14(×

××+××+××

T=363.99K T=90.99ºC TEMPERATURA MEZCLA 2

T=065.158.273,59

)288005.157.251,28()331125.1012.022,31(×

××+××

T=331.057K T=58.05ºC 7.6.1.2 CALCULO DEL CALOR REQUERIDO. Q= ( 59273.58 kg/h)(1.065kJ/kgK)(598-331.057) Q= 16,851,203.18 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 4.907,971,15

194782.018.203,851,16 =

×


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 93.609,025,4

186.4118.203,851,16 =

×


HOJA 36 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

W= hsmsmkcal

hkcal /24.479/8400

/93.609,025,4 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

27.4546.288

27324.479 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 58.26355.024.479 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 4.549058.26383.20 =×


V=min

95.3484min60

10579.0

34535.014.5490

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××


HOJA 37 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.6.1 RESUMEN CASO PROPUESTO 3. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO SISTEMA METRICO: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO


130,675.7 LB/H

T=617ºF

62,284.05 LB/H

T=60ºF

GAS NAT. 282SCFM

AIRE 3484.95SCFM


MEZCLA2 130,675.7LB/H T=136.5ºF

MEZCLA1 66,601.35LB/H T=195.78ºF ω=0.0585lbH2O


CALENTADOR A FUEGO


59,273.58 kg/h

T=325ºC

28,251.57kg/h

T=15.6


AIRE 5619.65Nm3/h


MEZCLA2 59,273.58kg/h T=58.05ºC

MEZCLA1 30,209.38kg/h T=90.99ºC ω=0.02654kgH2O

25% DE RECIRCULACION. 14,615.28kg/h T=50ºC


HOJA 38 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

7.7 CASO PROPUESTO 4. AIRE FRESCO, 100% DE RECIRCULACION DE LOS GASES

DE COMBUSTION Y 25% DE RECIRCULACION HUMEDA. AIRE FRESCO 6.7.1.1 TEMPERATURA DE LAS MEZCLAS. Debido a que la mezcla 1 no son dos corrientes de aire se hace necesario calcular primeramente la cantidad de agua que tendrá la mezcla 1 y a partir de esa cantidad de agua calcular la temperatura de mezcla con los tres calores (agua, aire seco y gases). 4) Se considera que los gases de combustión tienen un 0.8% de humedad 5) Con la humedad se procede a calcular la presión parcial. Pa=P-Pv Donde: Pv=φPg=φPsat@135ºC=(0.008)(325kPa) Pv= 2.6kPa Considerando que el gas de combustión viene atmosférico: Pa= (77.32kPa-2.6kPa) Pa=74.72kPa La humedad del los gases de combustión será

askgOkgHPPP

v

v deg/0216.0)6.232.77()6.2*622.0(622.0

2=−

=−

=ϖ

CALENTADOR A FUEGO

DIRECTO

37,100 ACFM

128,885.4 LB/H

T=617ºF

27,904.4 LB/H

T=60ºF

GAS NAT.

AIRE



MEZCLA1 100,981LB/H T=?



HOJA 39 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

6) Con este dato se iterara para sacar la humedad de la mezcla:

13

32

2

1

ϖϖϖϖ

−−

=WW

0317.00216.0

28.615,140.189,31

3

3

−−

=ϖ

ϖ

ω3=0.02489kg de H2O/kg de mezcla seca. TEMPERATURA MEZCLA 1

T=137.142.036,47

)174.429.804,4502489.0()408081.1189,31()323005.128.615,14(×

××+××+××

T=376.5K T=103.5ºC TEMPERATURA MEZCLA 2

T=07.125.693,59

)6.288005.183.656,12()5.376137.147.036,47(×

××+××

T=372.45K T=99.45ºC 5.5.1.2 CALCULO DEL CALOR REQUERIDO. Q= (59,693.25 kg/h)(1.07kJ/kgK)(598-372.45) Q= 14,406,279.42 kJ/h

Q= h

BTUkJ

BTUhkJ 76.559,654,13

194782.042.279.406,14 =

×


Q=h

KcalkJ

KcalhkJ 85.958,261,3

186.4142.279,406,14 =

×


HOJA 40 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

W= hsmsmkcal

hkcal /32.388/8400

/85.958,261,3 33 =


2

22

1

11

TVP

TVP

=

W=h

Nm3

33.3676.288

27332.388 =

×

Wfuel= hkg

smkg

hsm 03.20255.033.367 3

3

=×

Waire=hkg

hkgcomb

kgcombkgaire 4.208,403.20283.20 =×


V=min

22.671,2min60

10579.0

34535.014.208,4

3fthlb

ftkg

lbhkg

=×××

6.7.2 RESUMEN CASO PROPUESTO 4. SISTEMA INGLES: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO


131,600.9 LB/H

T=617ºF

27,904.4 LB/H

T=60ºF

GAS NAT. 228.56SCFM

AIRE 2671.22SCFM


MEZCLA2 131,600.9LB/H T=211.01ºF

MEZCLA1 100,981LB/H T=218.3ºF ω=0.05487lbH2O



HOJA 41 DE 41

ELABORO:

REVISO

ING. C.R.S ING.




A 15/AGOSTO/2008

SISTEMA METRICO: AIRE FRESCO

CALENTADOR A FUEGO


59,693.25 kg/h

T=325ºC

12,656.83kg/h

T=15.6ºC


AIRE 4,307.47Nm3/h


MEZCLA2 59,693.25kg/h T=99.45ºC

MEZCLA1 45,804.29kg/h T=103.5ºC ω=0.02489kgH2O

25% DE RECIRCULACION. 14,615.28kg/h T=50ºC

memoria para recuperador de gases

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