Calculo IC (Pag.51)

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DE VALPARAISO FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

PROYECTO PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO CIVIL QUIMICO

RECUPERACIN DE ENERGA EN PROCESO DE PRODUCCIN DE CIDO SULFRICO

Planta de cido Sulfrico Codelco Chile-Divisin Ventanas

Alumno: Vincenzo Sartori Estvez

Profesor Gua: Horacio Aros Meneses

Tutor Codelco:

Rubn Herrera

2012

Agradecimientos

A mis padres Raul y Maria Teresa, quienes me ayudaron incondicionalmente,

me apoyaron en los momentos difciles y me dieron palabras de aliento para lograr

este gran paso.

A mi hermano Franco, por su cario y confianza.

A Gabriela, por su amor y cario, que en todo momento me dio su apoyo,

mantuvo su Fe en m y me aconsejo e incentivo cuando fue necesario.

Finalmente agradecer al profesor Horacio Aros por su ayuda y disposicin.

Resumen

La realizacin de esta memoria de titulo tiene como objetivo disear un proceso

de recuperacin de energa para la Planta de cido de la Divisin Ventanas de

CODELCO CHILE

Se inici la memoria la bsqueda del marco terico, en el cual se estudio la

recuperacin de energa en la industria, los tipos de recuperacin y el tipo de energa

disponible en plantas de cido de doble absorcin y finalmente se analizaron

sistemas de recuperacin de energa existentes.

Posteriormente para poder disear un sistema acorde a las necesidades, se

evalu la situacin energtica, que tuvo el objetivo de obtener datos energticos

reales a la hora del diseo de un sistema de recuperacin de energa. El trabajo

consisti en medir, analizar y comparar la informacin obtenida con los valores de

diseo de la planta de cido de la Divisin Ventanas, la cual mostro que existen dos

nodos importantes de recuperacin de energa trmica en la planta de cido. El

primer nodo es el sistema de circulacin de cido, el cual esta subdivido en dos

circuitos:

- Calor transferido en el lavado de gases, con un aporte trmico a las aguas

de enfriamiento de 14.336 KW.

- Calor transferido en el secado de gases y absorcin de gases, con un

aporte trmico a las aguas de enfriamiento de 42.684 KW.

El segundo nodo lo representan los intercambiadores gas-aire del sistema de

conversin de SO2 a SO3, con un aporte a energtico de 2.984 KW.

Despus de conocer la situacin energtica de la Planta de cido de la Divisin

Ventanas se diseo un sistema de recuperacin de energa, el cual recupera calor

del cido de circulacin de la absorcin intermedia (Torre K6), con el objetivo de

generar agua a 62C, para ser usado en: calefaccin de electrolito, precalentamiento de agua fresca de alimentacin a calderas y calefaccin de otros procesos,

permitiendo un ahorro en el consumo de gas en calderas y en la evaporacin de

agua (Torre W11).

Finalmente se realiz una evaluacin econmica al sistemas de recuperacin de

energa diseado, obtenindose un capital total de inversin de 444.750 USD, genera un ahorro en los costos operacionales de las calderas a gas y evaporacin de

agua de 237.828 USD/ao, resultando finalmente una recuperacin de la inversin de 2 aos.

ndice

Captulo 1...1

1.1. Introduccin ......1

1.1.1. Enfoque de la Eficiencia Energtica .....1

Captulo 2 ..4

2.1. Definicin de Objetivos ...4

2.1.1. Objetivo General... 4

2.1.2. Objetivos Especficos... 4

2.2. Antecedentes Generales de Codelco-Chile 7

2.3. Antecedentes de Codelco Divisin Ventanas..8

2.3.1. Planta de cido Sulfrico ....9

Captulo 3 15

3.1. Marco Terico ....15

3.1.1. Recuperacin de Energa en la Industria.......15

3.1.2. Recuperacin de Energa en una Planta de cido.......16

3.1.2.1. Energa de Alto Grado........................................16

3.1.2.2. Energa de Bajo Grado.......................................17

3.1.2.3. Recuperacin en distintos tipos de Plantas...............17

3.1.3. Sistemas para Recuperacin de Energa de Bajo Grado...................19

3.1.3.1. Sistema ORC......................................................19

3.1.3.2. Generacin de Vapor a Baja Presin................................23

Captulo 4 31

4.1. Evaluacin de la Situacin Energtica...........................................31

4.1.1. Lavado, Secado y Absorcin de Gases...31

4.1.1.1.Mediciones y clculos realizados......32

4.1.2. Intercambiadores Gas-Aire....51

4.1.2.1.Mediciones y clculos realizados......52

Captulo 5 54

5.1. Diseo de Sistema de Recuperacin de Energa................................................54

5.1.1. Sistema de Recuperacin de Calor "circuito cido fuerte"...........55

5.1.1.1. Descripcin del sistema....................55

5.1.1.2. Usos para el agua a 62C obtenida....................56

5.1.2. Diseo operacional de nuevos intercambiadores de placas ...59

5.1.3. Diseo operacional de bomba para intercambiadores nuevos...70

5.1.4. Anlisis de operacin bombas P10/1-2 y P70/1-2.83

5.1.4.1. Anlisis Bombas P10/1-2......................83

5.1.4.2. Anlisis Bombas P70/1-2......................96

5.1.5. Evaluacin Econmica....108

5.1.5.1. Capital Total de Inversin...................108

5.1.5.2. Ahorro Generado y Recuperacin de la Inversin......110

Captulo 6..111

6.1. Conclusiones...111

6.2. Bibliografa ...116

Anexo I......118

Anexo II.....141

Anexo III....146

ndice de Figuras

Figura 1. Esquema General de Captacin de Gases.........10

Figura 2. Esquema General Limpieza Hmeda.......11

Figura 3. Esquema General Secado y Absorcin........12

Figura 4. Esquema General Etapa de Contacto ..14

Figura 5. ORC con lquido refrigerante de fren..20

Figura 6. Esquema del sistema HRS..25

Figura 7. Esquema del sistema HEROS28

Figura 8. Perfil de temperatura para flujo contracorriente...42

Figura 9. Esquema actual del circuito de la Torre W11...54

Figura 10. Esquema general del nuevo sistema de recuperacin de calor........56

Figura 11. Esquema del aprovechamiento de agua caliente generada......................57

Figura 12. Factor trmico para intercambiadores de placas (Alfa Laval).65

Figura 13. Esquema de nueva bomba para sistema propuesto70

Figura 14. Esquema de bombas P10/1-2 (operacin actual).....83

Figura 15. Esquema de bombas P10/1-2 (operacin para nuevo sistema)................88

Figura 16. Esquema de bombas P70/1-2 (operacin actual)......................................96

Figura 17. Esquema de bombas P70/1-2 (operacin para nuevo sistema)..............102

ndice de Tablas

Tabla 1. Capacidades de cada planta por Divisin de Codelco ....................5

Tabla 2. Capacidades de plantas de cido para Fundiciones en Chile........6

Tabla 3. Capacidades de plantas de cido no relacionadas a fundiciones..............6

Tabla 4. Costos estimativos por unidad del Sistema ORC.....21

Tabla 5. Resumen de Ventajas/Desventajas del Sistema ORC....22

Tabla 6. Parmetros de vapor para Sistema HRS y HEROS............28

Tabla 7. Resumen de Ventajas/Desventajas del Sistemas HRS y HEROS.......30

Tabla 8. Parmetros operacionales y calores de diseo (cido)................................33

Tabla 9. Parmetros operacionales y calores de diseo (agua).................................33

Tabla 10. Valores reales W1/1-3 (lado cido).....................35

Tabla 11. Valores reales W20 (lado cido).............................................................35

Tabla 12. Valores reales W7/1-2 (lado cido)...................................36

Tabla 13. Valores realesW21/1-4 (lado cido)....................37

Tabla 14. Valores reales W8 (lado cido)...............................................................38

Tabla 15. Valores reales W9 (lado cido)...............................................................39

Tabla 16. Resumen de los calores reales promedio........................................39

Tabla 17. Factores de ensuciamiento normales..44

Tabla 18. LMTD, U y Rd, de diseo (lado agua).........................................................45

Tabla 19. Valores reales temperatura W1/1-3 (lado agua).....46

Tabla 20. Valores reales W20 (lado agua)........46

Tabla 21. Valores reales W7/1-2 (lado agua).......47

Tabla 22. Valores reales W21/1-4 (lado agua).....47

Tabla 23. Valores reales W8 (lado agua)..48

Tabla 24. Valores reales W9 (lado agua)..48

Tabla 25. LMTD, U y Rd reales calculados ..49

Tabla 26. Comparacin entre diseo, clculo realizado al cido y agua de H.....50

Tabla 27. Parmetros de diseo para intercambiadores W26 y W27..51

Tabla 28. H reales calculados para el intercambiador W26....52

Tabla 29. H reales calculados para el intercambiador W2752

Tabla 30. Resumen comparativo................................................................................53

Tabla 31. Ventajas/Desventajas del sistema de recuperacin de calor......................58

Tabla 32. Opciones de flujos totales para el diseo de intercambiadores nuevos.....59

Tabla 33. Tipos de intercambiadores de placas y flujos mximos de operacin60

Tabla 34. Propiedades fsicas y condiciones de operacin para los fluidos61

Tabla 35. Resistencias a la incrustacin placas.........................................................62

Tabla 36. Caractersticas de algunas de las placas standard "Alfa Laval".64

Tabla 37. Resumen comparativo de potencias requeridas de bombas....................107

Tabla 38. Capital Total de Inversin para nuevo sistema de recuperacin......109

Tabla 39. Resumen de energa trmica real disponible en la PA.......113

1

Capitulo 1

1.1. Introduccin

La recuperacin de energa es un factor determinante en la competitividad

econmica de las empresas, de su responsabilidad ambiental y en definitiva, de su

grado de sustentabilidad. Es necesario formar e incorporar gestores energticos en

nuestra sociedad para garantizar diagnsticos, el establecimiento de procedimientos

y, sobre todo, conseguir reducir nuestra intensidad energtica para incrementar

nuestra competitividad econmica.

El concepto de eficiencia energtica consiste en un conjunto de acciones que

permiten optimizar la relacin entre la cantidad de energa consumida y los productos

y servicios finales obtenidos. Esto se puede lograr a travs de la implementacin de

diversas medidas operacionales y/o inversiones.1

1.1.1. Enfoque de la Eficiencia Energtica

1) Aplicacin o mejora de tecnologas: Consiste en adquirir nuevas tecnologas que mejoren energticamente los procesos productivos o disear y fabricar

productos que utilicen menos energa, como es el caso de refrigeradores,

ventiladores, ampolletas eficientes y otros productos que hoy estn disponibles en

el mercado. Tambin es en algunos casos es posible optimizar la tecnologa

existente, actualizando sus aplicaciones o mejorando su uso.1

2

2) Gestin de los recursos: Para tener conciencia de ahorro y eficiencia energtica es necesario lograr una buena administracin de los recursos existentes y

adems si es indispensable, incorporar nuevos equipos con tecnologas que

optimizan el consumo de energa, a fin de ahorrar o recuperar energas

reutilizables, tales como la electricidad y la energa trmica disipada. Adems una

gestin enfocada en la eficiencia energtica, promueve el uso eficiente de los

recursos, consumo, tiempo de operacin, mediante la capacitacin y creando

conciencia en las personas.1

3) Mejorar hbitos culturales en las personas: A travs de ella podemos adoptar conductas que ayuden a realizar un consumo eficiente en nuestros hogares,

escuelas, lugar de trabajo, etc. El uso inteligente y eficiente de la energa permite,

adems de ahorrar, disminuir la dependencia energtica, bajar costos de

operacin en la industria, reducir la contaminacin, mejorar la calidad de vida y

aliviar el bolsillo de los consumidores.1

Es por esta razn y frente a las nuevas necesidades energticas actuales y a fin

de mejorar la sustentabilidad en 2005, el Gobierno de Chile impuls y convoc la

participacin de una serie de actores pblicos y privados, encargando al Ministerio de

Economa, Fomento y Reconstruccin la puesta en marcha e implementacin del

Programa Pas de Eficiencia Energtica (Anexo III).

Codelco Ventanas interesado en optimizar la operacin de sus procesos, solicito

la realizacin del estudio Recuperacin de energa en el proceso de produccin de

cido sulfrico. Adems, la bsqueda de tecnologas de eficiencia energtica para

este proceso debe seguir el enfoque que tiene el Plan de Eficiencia Energtica de

Codelco (Anexo III).

3

A continuacin, en el Captulo 2 se nombran los objetivos del trabajo realizado,

adems, se presentan, las plantas de cido sulfrico existentes en Chile,

antecedentes generales de Codelco-Chile y finalmente se explica el proceso de la

planta de cido de Codelco Divisin Ventanas.

4

Capitulo 2

2.1. Definicin de Objetivos

2.1.1. Objetivo General

Realizar un estudio para recuperacin de energa en el proceso de produccin

de cido sulfrico de la Planta de Acido de la Divisin Ventanas de Codelco Chile

ubicada en Puchuncav, mediante el diseo de un sistema de recuperacin de

energa.

2.1.2. Objetivos Especficos

Anlisis del Marco Terico

Determinar y cuantificar la cantidad de energa disponible en el proceso de la

Planta de cido a ser reutilizable.

Disear un sistema de recuperacin de energa enfocado a las necesidades

de la Planta de cido de la Divisin Ventanas.

Evaluar econmicamente el sistema diseado.

5

A continuacin, en las Tablas 1, 2 y 3 se presentan las plantas de cido

existentes en Chile, de Codelco Chile, de otras empresas relacionadas a fundicin de

cobre y plantas de cido no relacionadas a la fundicin de cobre; en donde se

menciona la capacidad de produccin de cido sulfrico en toneladas por da, el tipo

de absorcin (simple/doble) y el tipo de tecnologa que utilizan.

Tabla 1. Capacidades de cada planta por Divisin de Codelco, en toneladas mtricas de cido por da.

Divisin Planta Capacidad (Ton/Da)

Tipo de Absorcin

Tecnologa

N1 720 Simple MECS

N2 2.040 Simple Lurgi (Outotec)


Codelco Norte


Salvador Potrerillos 1.500 Simple Lurgi (Outotec)

Ventanas Ventanas 1.200 Doble Hugo Petersen

Caletones

(Planta N1)

1.500 Simple Lurgi (Outotec)

Teniente

Caletones

(Planta N2)

2.300 Simple Chemetics

Fuente: Codelco-Chile - 2010

6

Tabla 2. Capacidades de plantas de acido para Fundiciones en Chile, en toneladas mtricas de cido por da.

Empresa Fundicin Planta Capacidad (Ton/Da)

Tipo de Absorcin

Tecnologa

Anglo American

Chagres Chagres 1.500 Doble MECS

N1 280 Simple Mechim S.A. ENAMI Paipote

N2 560 Simple Panamerican

N1 2.040 Simple Lurgi (Outotec) Xstrata Copper

Altonorte

N2 2.040 Doble Lurgi (Outotec)

Fuente: www.sulphuric-acid.com, www.anglochile.cl 2010

Tabla 3. Capacidades de plantas de acido no relacionadas a fundiciones de cobre, en toneladas mtricas de cido por da.

Empresa Planta Capacidad (Ton/Da) Tipo de

Absorcin Tecnologa

N1 104 Simple Haldor Topsoe Molymet N2 170 Simple Haldor Topsoe

NordAcid Mejillones 2.000 Doble Outotec

Enap Refineras Aconcagua 15 Simple Chemiebau

Complejo Industrial

Molynor S.A. Mejillones 170 Simple Haldor Topsoe

Fuente: www.sulphuric-acid.com - 2010

7

2.2. Antecedentes Generales de Codelco-Chile

Codelco es el primer productor de cobre del mundo y posee, adems, cerca del

veinte por ciento de las reservas mundiales del metal rojo.2

El nombre Codelco representa a la Corporacin Nacional del Cobre de Chile,

una empresa autnoma propiedad del Estado chileno, cuyo negocio principal es la

exploracin, desarrollo y explotacin de recursos mineros de cobre y subproductos,

su procesamiento hasta convertirlos en cobre refinado, y su posterior

comercializacin.2

Posee activos propios por ms de US 20.279 millones y un patrimonio que en

2010 ascendi a US$4.531millones. Codelco, en el 2010, produjo 1,76 milln de

toneladas mtricas de cobre refinado (incluida su participacin en el yacimiento El

Abra). Esta cifra equivale al 11% de la produccin mundial. Su principal producto

comercial es el ctodo de cobre grado A.2

La compaa est conformada por siete Divisiones mineras: Chuquicamata,

Radomiro Tomic, El Teniente, Andina, Salvador y Ventanas, a la que se suma la

recientemente creada Divisin Ministro Hales que an no est operativa. A lo anterior

se agrega su filial Minera Gaby S.A. que entr en operaciones el 2008.

Adems, participa con un 49% en la operacin El Abra, en sociedad con

Freeport MacMoRan. Codelco posee adems otras asociaciones mineras orientadas

a la explotacin geolgica, tanto en Chile como en el exterior.2

8

2.3. Antecedentes de Codelco Divisin Ventanas

La Divisin Ventanas se encuentra ubicada en la localidad de Las Ventanas,

comuna de Puchuncav, a unos 164 kilmetros de Santiago y unos 50 de Via del

Mar, en el sector norte de la provincia de Valparaso.3

La construccin de este plantel industrial se inici a fines de 1950 y fue

inaugurado en 1964. Se eligi ese emplazamiento debido a la disponibilidad de agua

y cercana con los puertos de Quintero y Valparaso para el embarque de sus

productos, y dada su relativa equidistancia con los centros y proyectos mineros de

esa poca.3

La iniciativa del traspaso de Ventanas a Codelco fue acordada por las

autoridades del Gobierno con ambas empresas y con la participacin de sus

organizaciones laborales, y requiri la dictacin de la Ley 19.993 que lo permitiera. Y

as concluyendo su traspaso de ENAMI a Codelco Chile en el ao 2005.3

La produccin de Ventanas en el ao 2011 alcanz a 390.923 toneladas

mtricas de cobre electroltico. As mismo, por el procesamiento de los barros

andicos de la refinera en la planta de metales nobles, se produjeron 150.060 kilos

de plata y 4.125 kilos de oro, y la planta de cido produjo 348.502 toneladas de cido

sulfrico.3

La capacidad de fusin de concentrados de Ventanas fue de 412.772 mil

toneladas mtricas secas para el ao 2008.3

9

2.3.1. Planta de cido Sulfrico

La planta de cido sulfrico de Codelco Divisin Ventanas inici su operacin el

ao 1990 que permita tratar los gases generados en la fundicin. El diseo inicial

solo permita tratar los gases provenientes de la fusin en el Convertidor Teniente,

88.000 Nm3/h y 8,5% de SO2.4

El ao 1997 la planta cido fue modificada para procesar el 90% de los gases

generados por la fusin y conversin de 420.000 toneladas de concentrados de

cobre conteniendo 27% de azufre, 125.000 Nm3/h y 10% de SO2, mejorando la

absorcin de simple a doble.4

El ao 2001 para fundir 420.000 toneladas de concentrados conteniendo 31%

de azufre se modifican los sistemas de retiro e intercambio de calor.4

Durante la mantencin general de 2010 la planta es modificada nuevamente

para el aumento de la capacidad de tratamiento de gases, provenientes de las

campanas de CT y CPS, operando el soplador actual (V-10) a su mxima capacidad.

Esto genero un aumento del flujo de procesamiento de gases de 125.000 a 140.000

Nm3/h, para producir 10.000 toneladas anuales adicionales de cido sulfrico,

logrando as tratar el 94% del azufre procesado en fundicin. Obteniendo el beneficio

ambiental en la reduccin de la emisin azufre de 2.000 toneladas anuales.4

10

I. Captacin, Manejo y Limpieza de Gases

Los gases son captados desde la fundicin mediante dos sistemas de gases

independientes.5

La seccin de Captacin y Limpieza seca aspira los gases desde la boca del CT

y los CPS de la fundicin, retirando las partculas slidas arrastradas desde la

fundicin mediante equipos que las precipitan electrostticamente (PEE).5

A continuacin, en la Figura 1 se presenta el esquema general de la Captacin

de Gase.

Figura 1. Esquema General de Captacin de Gases.

11

II. Limpieza Hmeda de Gases

Los gases calientes a 340C que pasaron por la limpieza seca a travs de los

PEE, son enfriados y se retiran las partculas slidas no captadas en la etapa

anterior.5 Consta de 4 etapas, las cuales se explican a continuacin.

Las etapas son las siguientes:

Humidificacin y Enfriamiento (K1): Los gases son enfriados hasta 80C y lavados con una solucin de cido sulfrico dbil (30-50%).

Remocin de gotas de cido (F4): Evita el arrastre excesivo de acido.

Enfriamiento de los gases y retiro de los halgenos (K20 y K2): Enfra los gases a 38C, condensando el agua y los halgenos en el lquido de lavado.

Retiro de neblina cida: Los gases contienen pequeas partculas aersoles, las cuales son retiradas por precipitadores electrostticos hmedos.

A continuacin, en la Figura 2 se muestra el esquema general de la Limpieza

Hmeda

Figura 2. Esquema General Limpieza Hmeda.

12

III. Seccin de Secado de Gases

Consiste en dos torres de absorcin ubicadas en serie (K3 y K4), a travs de los

cuales pasa el flujo de gases. En cada una de estas torres, los gases entran en

contacto con un flujo descendente de cido sulfrico concentrado al 80% y 98.5%

respectivamente.5

Torre de Secado Primario (K3): Es utilizada para remover la mayor parte del contenido de agua desde los gases que salen de la limpieza

hmeda.

Torre de Secado Secundario (K4): Remueve los ltimos vestigios de agua an presente en los gases y asegurar la sequedad de estos.

A continuacin, en la Figura 3 se muestra el esquema general de Secado y

Absorcin de Gases.

Figura 3. Esquema General Secado y Absorcin.

13

IV. Soplador Principal

Los gases secos, limpios y carentes de neblinas cidas tras salir de la torre de

secado secundario son aspirados y descargados por el soplador principal V-10, hacia

la etapa de contacto.5

El Soplador principal de la planta de cido, succiona los gases desde los

precipitadores electrostticos secos, esto es antes de la primera torre de lavado, K1,

y los mueve a travs de los distintos equipos de las etapas de lavado y secado,

descargndolos a travs de los equipos de las secciones de contacto y absorcin.5

V. Seccin de Contacto y Absorcin de SO3

Procesa dixido de azufre gaseoso en forma auto-trmica cuando las

concentraciones se encuentren en rangos de 7 a 12% en volumen, convirtindolo en

trixido de azufre. La conversin es del tipo de doble absorcin en orden 3/1, esto

significa los gases que salen del tercer lecho catalizador conteniendo

aproximadamente un 90% de SO3 pasa por una torre de absorcin intermedia (K6),

que absorbe el SO3 en H2SO4, enviando el SO2 sin convertir al cuarto y ltimo lecho,

para entrar en la torre absorcin final de SO3 (K5).

14

Figura 4. Esquema General Etapa de Contacto

VI. Sistema de Enfriamiento

Las etapas de Lavado, Secado y Absorcin de gases generan calor, la planta

cuenta con un sistema de enfriamiento, provistos por dos circuitos de agua de

enfriamiento, un circuito para enfriar los cidos de la etapa de Lavado (cido dbil),

que incluye la Torre W25, y otro circuito para las etapas de Secado y Absorcin

(cido fuerte), que incluye la Torre W11.5

A continuacin, en el Capitulo 3 se analiza la eficiencia energtica en la industria

y se explican diferentes aspectos generales relacionados a la recuperacin de

energa en plantas de cido de doble absorcin.

15

Capitulo 3

3.1. Marco Terico

3.1.1. Recuperacin de Energa en la Industria

El costo de la energa constituye uno de los factores que tiene mayor incidencia

dentro de los costos totales de produccin. El uso correcto del consumo energtico

permite a las empresas alcanzar una mayor productividad.6

Por esta razn, el conocimiento de cmo la empresa maneja su energa, como

la consume en sus procesos, cuanto esto repercute en sus costos, su posicin

relativa respecto a otras empresas similares y las posibles mejoras para disminuir los

costos energticos son aspectos fundamentales en la optimizacin econmica y

productiva de las industrias.6

Es de real importancia tener el conocimiento de los datos generales de

produccin, y datos energticos tales como: consumo elctrico y trmico, de los

gastos energticos por bloques de la planta de proceso y la descripcin de los

equipos y sus consumos energticos individuales.

En el Anexo III se describe la gestin de Codelco y otras empresas relacionadas

al rubro de las fundiciones de cobre frente a la eficiencia energtica.

16

3.1.2. Recuperacin de Energa en Plantas de cido Sulfrico de doble absorcin

Existen dos formas de recuperacin de energa para plantas de cido: energa

de alto grado (generacin de vapor a alta presin) y bajo grado (generacin de vapor

a baja presin o calefaccin de soluciones), y su aplicacin depender del tipo de

energa que disponga la planta de cido.8

La energa disponible en una planta de cido sulfrico depende de la forma que

sea generado el cido, esto puede ser quemando azufre mineral o captando los

gases de escape de una fundicin de cobre; siendo esto un factor determinante al

momento de seleccionar un proceso de recuperacin de energa.8

3.1.2.1. Energa de Alto Grado

El exceso de calor en una planta de cido sulfrico debe ser recuperado de la

forma energtica ms alta posible, que por lo general es vapor sobrecalentado a alta

presin. El vapor sobrecalentado a alta presin puede ser utilizado en un

turbogenerador para la produccin de energa elctrica.8

Adems, el vapor de baja presin extrado de la turbina puede ser utilizado para

calentamiento de soluciones, el cual una vez enfriado y condensado es recirculado al

circuito de vapor de alta presin.8

17

3.1.2.2. Energa de Bajo Grado

La recuperacin de energa de bajo grado es compleja, debido que es difcil

encontrar un uso de la energa que sea coherente con los requisitos de una planta y

el medio ambiente. En la mayora de los casos esta energa de bajo grado es

simplemente descargada al medio ambiente a travs de un sistema de agua de

enfriamiento o el aire circundante.8

Los usos para este tipo de energa se enfocan principalmente en la mayora de

los casos a recuperacin del calor aportado por el sistema de circulacin de cido y

generacin de vapor a baja presin.8

3.1.2.3. Recuperacin para distintos tipos de Plantas de cido Sulfrico

Quemado de azufre

En plantas de quemado de azufre de doble absorcin, la combustin de azufre

libera cerca del 56 % del total del calor generado. Este calor es el adecuado para la

produccin de vapor de alta presin.8

El calor liberado en la planta se distribuye en el proceso como energa de alto

grado, como energa de bajo grado, como calor contenido en el gas de escape y en

el cido producto.8

18

La zona de recuperacin de energa de alto grado en una planta con quema de

azufre est ubicada inmediatamente despus del quemador de azufre, pues esta

reaccin es la que genera mayor energa.8

La recuperacin de calor como energa de alto grado se realiza a travs de una

caldera recuperadora de calor, con la cual se genera vapor de alta presin. Adems,

en la zona del convertidor cataltico puede extraerse parcialmente energa de alto

grado. Se puede extraer energa de bajo grado en la zona de las torres de absorcin

y torre de secado.8

Fundicin de Cobre

En una doble absorcin para un proceso de fundicin de cobre, con un rango de

7-12% de SO2, el 94% de la energa de la planta sale del sistema en forma de calor

desde el cido de circulacin. El 6% restante sale de la planta en el gas y el cido

producto.8

Toda la energa generada a partir de la conversin de SO2 a SO3 se utiliza para

calentar el gas frio de la salida del soplador a la temperatura de entrada del primer

lecho del reactor y recalentar el gas frio de la absorcin intermedia.8

En una planta de cido de este tipo solo es posible una recuperacin de energa

de bajo grado en las torres de absorcin y secado, y parte podra realizarse en la

planta de limpieza de gases.

19

Esta energa podra ser utilizada para el calentamiento de soluciones de

lixiviacin o para el calentamiento de soluciones utilizadas en una refinera

electroltica adjunta.

En el caso de la planta de cido de Codelco Divisin Ventanas, solo se dispone

de energa de bajo grado, la cual segn estudios previos pretende ser utilizada en el

calentamiento de electrolito para la Refinera Electroltica a una temperatura de 62C.

3.1.3 Sistemas para Recuperacin de Energa Bajo Grado

3.1.3.1. Sistema ORC (Organic Rankine Cycle)

El concepto es similar a un Ciclo Rankine tradicional, la diferencia es que en

lugar de vapor de agua el sistema ORC vaporiza un fluido orgnico (aceites de

silicona, hidrocarburos y fluorocarbonos). El sistema transforma energa trmica en

energa mecnica y finalmente en energa elctrica a travs de un generador

elctrico.8

Funcionamiento de un Sistema ORC

El proceso se basa en un ciclo termodinmico, en donde una fuente de calor calienta

el fluido trmico en un circuito cerrado. El fluido orgnico caliente se expande en el

mdulo del circuito cerrado del ciclo. El lquido orgnico se evapora en un sistema de

intercambio de calor adecuado (precalentador y evaporador).

20

El vapor orgnico se expande en la turbina, produciendo energa mecnica, y

transformndola en energa elctrica a travs de un generador. El vapor es enfriado

por agua en un circuito cerrado y condensado. El agua se puede utilizar para

diferentes aplicaciones que requieran calor.11

La potencia elctrica generada en este tipo de plantas es de 0,5 MW para una

unidad, logrndose alcanzar hasta 5 MW, instalando varias unidades en paralelo.11

Para una planta de cido de fundicin de cobre se puede aprovechar el calor

generado por el sistema de cido de circulacin.

Debido a que estas plantas se utilizan normalmente para la recuperacin de

lquidos de baja temperatura de flujo de calor (por debajo de los 250 C en la fuente

caliente), la eficiencia elctrica vara ampliamente, dependiendo de las temperaturas de la fuente de calor y otras condiciones especficas, que va desde 8% a un 18%.

Figura 5. ORC con lquido refrigerante de fren.8

21

En la Figura 5 se observa que el fluido orgnico de trabajo (limitado nicamente

a un circuito cerrado y libre de fugas) es precalentado y vaporizado con la fuente de

calor (cido de recirculacin) en el precalentador y evaporador respectivamente.

Anlisis al Sistema ORC

La implementacin de este proceso consistira en remplazar con un bypass (en

caso de falla es posible volver sistema actual) los intercambiadores de calor de

placas de las torres de absorcin, haciendo pasar el cido por el sistema ORC para

generar electricidad. Una vez que el cido fro sale es de este sistema, sera

devuelto a las torres absorcin.

La electricidad generada podra alimentar en un porcentaje el consumo del

Soplador Principal V10 (3,0 MW).

A continuacin, en la Tabla 4 se presentan los costos estimativos para un

Sistema ORC.

Tabla 4. Costos estimativos por unidad del Sistema ORC.

Costo por unidad (0,5 MW) Sistema ORC

USD Capital Fijo Directo 72.000 Capital Fijo Indirecto 28.800 Capital de Trabajo 17.800 Capital Total Inversin 118.600

22

A continuacin, en la Tabla 5 se muestran las ventajas y desventajas para la

implementacin de un Sistema ORC.

Tabla 5. Resumen de Ventajas/Desventajas del Sistema ORC.

Ventajas Desventajas

Generacin de energa elctrica, la

cual podra ser utilizada para

alimentar al Soplador Principal V10,

utilizando varias unidades en

paralelo.

Ahorro de aguas de enfriamiento y

disminucin en la evaporacin.

Optimo solo para bajas cantidades

de calor, como generacin de

energa elctrica domiciliaria, con

energa geotrmica.

En la operacin actual no existen

plantas de cido que utilicen este

sistema, por ende no est probado.

En el caso de utilizar fren, este es

un clorofluorocarbono (CFC) y

segn el Protocolo de Montreal

relativo a las sustancias que agotan

el ozono. Se cree que el fren es

uno de los compuestos

responsables por el agotamiento de

la capa de ozono.15

23

3.1.3.2. Generacin de Vapor a Baja Presin

El concepto se basa en un sistema de absorcin de cido de paso intermedio a

altas temperaturas. El cido caliente se enfra en una caldera, para generacin de

vapor saturado. La cantidad de vapor generado depender de:

Temperatura del gas de proceso que entra en el sistema de absorcin8.

La cantidad de agua que es absorbida en el sistema de secado del cido. 8

Grado de conversin de SO2 a SO3 antes de la absorcin.8

Precalentamiento del agua alimentada a la caldera.8

1. Sistema HRS (Heat Recovery System)

MECS lo introdujo comercialmente en 1987, tomando lugar en una torre de

absorcin intermedia en una planta de absorcin de doble o simple. Se puede

generar vapor saturado hasta presiones de 10,5 Kg/cm2 (150 psi).8

Funcionamiento del Sistema HRS

Este sistema consiste en una torre de absorcin de alta temperatura de dos

etapas (dos capas de relleno), una bomba de arranque, una bomba de circulacin,

un dilusor de cido, una caldera de tubos y enfriadores de cido de recuperacin de

calor. El cido caliente entra en la primera etapa de aproximadamente 165C y una

concentracin de H2SO4 del 98,5%.8

24

A medida que el cido baja a travs del relleno se pone en contacto con el gas

que fluye hacia arriba con contenido de SO3. El SO3 se absorbe en el cido

aumentando su concentracin a casi el 100% de H2SO4 y la temperatura a 200C.

El cido desciende hasta la parte inferior de la torre y entra a la bomba de

arranque adjunta que circula el cido a la caldera donde se enfra el cido a unos

160C, mientras que se genera vapor.

El cido "fro" que deja la caldera se diluye con agua retornado a la

concentracin del 98,5% de H2SO4. El dilusor de cido es un equipo especialmente

diseado para mezclar cido sulfrico caliente y el agua.8

El calor de las diluciones eleva la temperatura del cido de nuevo hasta la

temperatura de entrada de 165 C antes de que sea devuelto a la parte superior de la

primera etapa.8

El gas de proceso que deja la parte superior de la primera etapa todava

contiene SO3 sin absorber por el cido sulfrico concentrado caliente debido a que

no se encuentra en las condiciones ptimas para la absorcin de SO3. La segunda

etapa de relleno est diseada para absorber el SO3 restante.8

Un pequeo chorro de cido desde el sistema de absorcin final se alimenta a la

parte superior del relleno de la segunda etapa y se distribuye al relleno. La

concentracin y la temperatura del cido estn en los niveles convencionales para

que el absorbedor se asegure de que todo el SO3 sea absorbido.8

25

El cido de la salida de la segunda etapa cae directamente hacia abajo en la

seccin de la primera etapa en donde se mezcla con el cido caliente.8

El gas de proceso que deja la segunda etapa pasa a travs de eliminadores de

niebla de alta eficiencia antes de que se le vuelva a subir a la temperatura a la

entrada de la capa final del reactor.8

El cido caliente se refrigera en un enfriador de cido por el calentamiento de

agua de alimentacin de la caldera. Adems el enfriamiento del cido y la

recuperacin de calor se pueden realizar mediante la instalacin de otro enfriador

en serie que caliente el agua desmineralizada que alimenta un desaireador.8

A continuacin, en la Figura 6 se observa el esquema bsico del Sistema HRS,

en el que se incluye la torre intermedia de absorcin de relleno de dos etapas y la

caldera de vapor a baja presin.

Figura 6. Esquema del Sistema HRS.8

26

2. Sistema HEROS

El sistema de Outotec, HEROS ha sido desarrollado para la recuperacin de la

energa de un sistema de absorcin de cido con especial nfasis en la facilidad de

operacin y altos niveles de seguridad. Fue puesto en marcha por primera vez en

1989.14

El sistema consta de un absorbedor venturi con su propio sistema de circulacin

de cido, una torre de absorcin intermedia convencional sigue al absorbedor

venturi. El calor de la absorcin se recupera en su mayora en el absorbedor venturi

para la produccin de vapor a baja presin en una caldera de diseo especial.

El sistema permite adaptar la produccin de vapor a la demanda de vapor real a

travs de un bypass a la torre de absorcin intermedia.

Funcionamiento del Sistema HEROS

HEROS es un sistema de circulacin de cido independiente que usa cido

sulfrico con una concentracin de entre 98.5% y 99%. A causa de la absorcin del

SO3 y su reaccin con agua introducida en el venturi, la temperatura del cido se

eleva a 205C.8

Alrededor del 95% del SO3 contenido en el gas es absorbido en la seccin de

venturi, lo que significa que la concentracin de cido sulfrico tiene que ser

monitoreada y controlada en el circuito del venturi.8

27

El resto del SO3 es absorbido de la torre de absorcin de relleno. Despus de

que el gas sale de la parte superior de la seccin del relleno, pasa al eliminador de

neblina.8

Se aade agua de dilucin al cido caliente en el fondo del absorbedor venturi

para controlar la concentracin del cido. La dilucin del cido aumenta la

temperatura del cido. El cido caliente fluye desde la parte inferior del absorbedor

venturi a un depsito de una bomba centrfuga vertical sumergida que alimenta a la

caldera de vapor cido.8

Acido caliente circula a travs del lado de los tubos del hervidor de tipo caldera.

Se genera baja presin de vapor saturado en el lado de la carcasa de la caldera. El

cido frio vuelve a la tapa del absorbedor venturi.8

El nivel en el depsito de la bomba es controlada por el cruce de corrientes de

cido al relleno del absorbedor. El calor contenido en el flujo de cido caliente puede

ser recuperado pasando el cido a travs de un refrigerador utilizado para

precalentar el agua de alimentacin de calderas.8

Una caracterstica del sistema de HEROS es que si la seccin de recuperacin

de energa del sistema no est funcionando, la planta puede seguir funcionando solo

con la torre de relleno absorbiendo todo el SO3 en el gas.14

A continuacin, en la Figura 7 se observa un esquema bsico del

funcionamiento del Sistema HEROS propuesto por OUTOTEC.

28

Figura 7. Esquema del Sistema HEROS.8

Parmetros de operacin de Sistemas HRS y HEROS

A continuacin, en la Tabla 6 segn estudios realizados por HATCH para la

Divisin Ventanas, este sistema podra obtener vapor con las siguientes

caractersticas:

Tabla 6. Parmetros del vapor para Sistema HRS y HEROS.

tem Unidad HRS (MECS) HEROS (Outotec)

Vapor Ton/Hr 40 44

Presin barg 10 8

Temperatura C 200 176

Condicin - Saturado Saturado

Fuente: HATCH

29

El vapor servira con los requerimientos totales o parciales de vapor para la

refinera electroltica (450-550 ton/da), dependiendo de las necesidades.

Sin embargo, se debe destacar que se requiere del rediseo del proceso

principal de la Planta de cido, esto representa riesgos importantes, debido a que es

una instalacin antigua, generando nuevos parmetros operacionales para los cuales

el sistema no est preparado, como por ejemplo, las temperaturas ms altas del

cido a la cual trabajara HRS (160-200C) y HEROS (180-205C), pudindose

provocar fallas en la torre de absorcin final y en el peor de los casos el colapso de

los equipos de mayor antigedad.

Anlisis de ventajas y desventajas para HRS y HEROS

A modo de referencia, la nueva planta de cido de Mejillones NordAcid

contemplo una inversin total estimada de 110.000.000 USD. Segn estimaciones entregadas por HATCH y bibliografa la implementacin de los sistemas HRS o

HEROS representa un 10% del capital de inversin de una planta de cido nueva. Tomando el costo la referencia de NordAcid, la generacin de vapor de este tipo

sistemas flucta alrededor de los 11.000.000 USD.

A continuacin, en la Tabla 7 se muestran las ventajas y desventajas para los

sistemas de generacin de vapor a baja presin HRS y HEROS.

30

Tabla 7. Resumen de Ventajas/Desventajas del Sistemas HRS y HEROS.


HRS

(MECS)

500 Ton/da de vapor a bajar presin til para alimentar a refinera electroltica.

Ha recuperado confiable-mente vapor de presin intermedia de las plantas del cido sulfrico por ms de 20 aos.

El diseo original de la planta de cido no est preparado para soportar nuevos tempera-turas de entre 160 y 200C.

En caso de falla, es necesaria la detencin del proceso completo.

Alto costo de inversin.

HEROS

(OUTOTEC)

600 Ton/da de vapor a bajar presin til para alimentar a refinera electroltica.

En caso de falla el proceso principal continua operando.

El diseo original de la planta de cido no est preparado para soportar nuevos tempera-turas de entre 180 y 205C.

Alto Costo de inversin.

Una vez estudiado el marco terico se evalu la situacin energtica del

proceso, a fin de obtener datos reales de energa disponible en los puntos

especficos en donde se pueda recuperar energa, la cual es analizada en detalle en

el Capitulo 4.

31

Capitulo 4

4.1. Evaluacin de la situacin energtica de la Planta de cido Sulfrico de Codelco Divisin Ventanas

En la planta de cido de Divisin Ventanas se pueden diferenciar principalmente

dos nodos importantes para el aprovechamiento trmico como medida de

reutilizacin energtica:

Energa trmica transferida a las aguas de enfriamiento en el Lavado, Secado

y Absorcin de Gases.

Energa trmica disipada a la atmosfera en intercambiadores Gas-Aire en el

proceso de Conversin.

4.1.1. Lavado, Secado y Absorcin de Gases

Para analizar la distribucin energa trmica en la planta de cido fueron

realizados dos estudios, en primer lugar una medicin y anlisis con los parmetros

operaciones para el lado del cido en los intercambiadores de placas de los dos

sistemas de enfriamiento (Torre W11 y W25).

En segundo lugar para respaldar el anlisis por el lado del cido, se realizo una

medicin y anlisis por el lado del agua en los intercambiadores de placas, lo que

32

incluyo el clculo del factor de ensuciamiento, debido a que este es un aspecto

importante por las caractersticas propias de los sistemas de agua.

4.1.1.1. Mediciones y clculos realizados

1) cido de circulacin

Se genera una transferencia de calor importante hacia las aguas de enfriamiento

de las Torres de W25 y W11 de los circuitos de cido dbil y cido fuerte

respectivamente. El intercambio de calor se genera de en los intercambiadores de

calor de placas en:

Torres de Lavado de Gases: K2 y K20

Torre de Secado Primario: K3

Torres de Absorcin Intermedia:K6

Torre de Absorcin Final: K5

Estanque de cido producto: B6

A continuacin se presentan como referencia la Tabla 8 y Tabla 9 las cuales

muestran los parmetros operacionales de diseo para el cido y el agua de los

intercambiadores de calor de placas de las torres lavado, secado y absorcin de

33

gases, acordes con la ampliacin de la capacidad de tratamiento de gases realizada

en 2010.

Tabla 8. Parmetros operacionales y calores de diseo de intercambiadores de calor de placas entregados por Hugo Petersen (Lado del cido).

T Entrada TSalida FEntrada FSalida Entrada Salida Q=H Q=H Intercambiador

C C m3/h m3/h Kg/m3 Kg/m3 kW GCal/hr

W1/1-3 (Torre K2) 57 38 910 910 1.000 1.000 -21.504 -18,5

W20 (Torre K20) 57 38 388 388 1.000 1.000 -9.416 -8,1

W7/1-2 (Torre K3) 57 36 420 415 1.688 1.709 -7.815 -6,7

W21/1-4 (Torre K6) 95 65 1.245 1.245 1.767 1.796 -31.164 -26,8

W8 (Torre K5) 88 50 425 425 1.769 1.806 -7.647 -6,6

W9 (Estanque B6) 83 37 41 38 1.769 1.821 -1.537 -1,3

-79.083 -68,0

Tabla 9. Parmetros operacionales y calores de diseo de intercambiadores de calor de placas entregados por Hugo Petersen (Lado del agua).

T Entrada TSalida FEntrada FSalida Entrada Salida Q=H Q=H Intercambiador

C C m3/h m3/h Kg/m3 Kg/m3 kW GCal/hr

W1/1-3 (Torre K2) 20 39 996 996 1.000 1.000 21.504 18,5

W20 (Torre K20) 20 40 400 400 1.000 1.000 9.416 8,1

W7/1-2 (Torre K3) 20 38 385 385 1.000 1.000 7.815 6,7

W21/1-4 (Torre K6) 20 42 1.220 1.220 1.000 1.000 31.164 26,8

W8 (Torre K5) 20 44 274 274 1.000 1.000 7.647 6,6

W9 (Estanque B6) 20 46 52 52 1.000 1.000 1.537 1,3

79.083 68,0

34

La Tabla 8 y Tabla 9 servirn como referencia la medicin de los parmetros

reales y posterior clculo de los calores reales en cada intercambiador de calor.

En una primera instancia fueron medidas la temperatura y el flujo del cido,

desde el sistema de control de la Planta de Acido en distintas ocasiones.

Con los valores medidos se calcul las entalpas reales del cido (calores

reales) segn la siguiente frmula.9

cidoentradasalidacidocidocido TTcpmH )( =

A continuacin se presentan tablas con las mediciones de temperatura y flujo y

los resultados de los clculos realizados para el calor transferido en los

intercambiador de calor de placas de la planta de cido de la Divisin Ventanas.

I. Lavado de Gases: Torres K2 y K20

La torre de K2 que recibe 2/3 de los gases y consta de tres intercambiadores de

calor de placas (W1/1-3), mientras que la torre K20 que recibe 1/3 de los gases

opera solo con un intercambiador de calor de placas (W20).

El agua utilizada para enfriar el cido de los intercambiadores W1/1-3 y W20

corresponde al circuito del sistema de enfriamiento de la Torre W25.

35

Tabla 10. Valores reales temperatura, flujo y H del cido en intercambiadores W1.

Entrada Salida H Fecha Da-Mes-Ao C C KW

05-07-2010 51,5 42,2 -11.735

12-07-2010 51,8 42,2 -12.122

19-07-2010 53,4 44,1 -11.745

26-07-2010 51,3 42,3 -11.364

02-08-2010 48,5 39,9 -10.861

Promedio 51,3 1,77 42,1 1,49 -11.565 476,3

Los clculos realizados para la Tabla 10 se encuentran presentes en el Anexo I.

Tabla 11. Valores reales temperatura, flujo y H del cido en intercambiador W20.

Entrada Salida H Fecha Da-Mes-Ao C C KW 05-07-2010 47,4 39,1 -2.439

12-07-2010 47,5 39,6 -2.302

19-07-2010 47,4 40,6 -1.986

26-07-2010 46,8 39,6 -2.069

02-08-2010 43,4 36,2 -2.093

Promedio 46,5 1,75 39,0 1,67 -2.178 186,7


36

II. Secado de Gases: Torre K3

Las torres K3 y K4 cumplen el objetivo de secar los gases y retirar el agua

contenida en ellos. De estas torres solo requiere el retiro de calor excedente la torre

de secado primaria K3, debido que es la que hace la mayor parte del trabajo.

K3 opera con dos intercambiadores de calor de placas (W7/1-2) para enfriar el

cido de recirculacin con agua del sistema de refrigeracin en flujo contracorriente

El agua utilizada para enfriar el cido de los intercambiadores W7/1-2




05-07-2010 68,0 50,0 -6.058

12-07-2010 76,0 49,2 -9.295

19-07-2010 77,5 49,5 -9.449

26-07-2010 74,0 49,1 -8.629

02-08-2010 74,9 47,7 -9.093

Promedio 74,1 3,64 49,1 0,86 -8.505 1.402,1

Los clculos realizados para Tabla 12 se encuentran presentes en el Anexo I.

37

III. Absorcin: Torre K6 y K5

Las torres K5 y K6 cumplen la funcin de absorber el SO3 formado en el grupo

contacto y generar H2SO4 al 98,5%. La torre intermedia K6 se encuentra ubicada

despus de la tercera capa del reactor C1 y opera con cuatro intercambiadores de

calor de placas, los W21/1-4.

El agua utilizada para enfriar el cido de los intercambiadores W21/1-4 y W8



Entrada Salida H Fecha Da-Mes-Ao C C KW 05-07-2010 102,0 71,0 -28.763

12-07-2010 96,2 66,2 -27.835

19-07-2010 89,6 61,6 -25.979

26-07-2010 94,5 65,5 -26.907

02-08-2010 90,2 62,2 -25.979

Promedio 94,5 5,04 65,3 3,76 -27.093 1.210,0


La torre de absorcin final K5 genera acido con el SO3 formado en la cuarta y

ltima capa del reactor (lecho) y funciona con un intercambiador de calor de, W8.

38

Tabla 14. Valores reales temperatura, flujo y H del agua en intercambiador W8.


05-07-2010 85,3 53,0 -6.788

12-07-2010 89,7 51,3 -7.917

19-07-2010 83,7 47,0 -7.834

26-07-2010 81,2 47,5 -6.902

02-08-2010 84,3 48,3 -6.933

Promedio 84,8 3,11 49,4 2,61 -7.275 552,0


IV. Estanque cido producto: B6

El estanque de cido producto B6 funciona con un intercambiador de calor de

placas (W9), este sirve para almacenar de forma temporal el cido proveniente de la

torre de absorcin final K5 antes de ser enviado a los estanques de recepcin final

cercanos a la planta de cido.

El agua utilizada para enfriar el cido del intercambiador W9 de cido producto


39



05-07-2010 81,6 48,4 -884

12-07-2010 82,9 47,2 -986

19-07-2010 81,1 45,9 -889

26-07-2010 73,9 41,6 -772

02-08-2010 86,6 46,0 -1.103

Promedio 81,2 4,62 45,8 2,57 -927 124,2


A continuacin se presenta la Tabla 16 con el resumen con los calores reales

del cido transferido en los intercambiadores de calor de placas.

Tabla 16. Resumen de los calores reales promedio calculados para el cido de los intercambiadores de calor de placas y comparacin con valores de diseo.

H Diseo H Real Promedio Intercambiador kW kW

W1/1-3 (Torre K2) -21.504 -11.565

W20 (Torre K20) -9.416 -2.178

W7/1-2 (Torre K3) -7.815 -8.505

W21/1-4 (Torre K6) -31.164 -27.093

W8 (Torre K5) -7.647 -7.275

W9 (Estanque B6) -1.537 -927

TOTAL -79.083 -57.543

40

Anlisis a las mediciones y clculos realizados para el cido de circulacin

en intercambiadores de calor de placas

El calor real transferido por los intercambiadores W1/1-3, W20 y W9 es inferior

al de diseo debido principalmente a las siguientes causas:

El funcionamiento sub-estndar del Sistema de Enfriamiento de la Torre W25

provoca un bajo enfriamiento evaporativo de la torre, que se refleja en un delta

real de temperatura inferior de 9C, siendo el diseo de 20C. Este bajo

enfriamiento se debe a que la torre presenta fallas estructurales, lo que

provoca que las piscinas superiores de distribucin de agua no mantengan un

nivel parejo y similar.

La operacin con flujos de cido mayores al diseo (910 m3/hr) en

intercambiadores W1/1-3, registrndose un promedio de 1.015 m3/hr,

manteniendo el flujo de agua correspondiente al diseo.

Operacin de los intercambiadores W20 y W9 con la mitad de placas que las

del diseo.

El principal efecto provocado por las causas mencionadas para estos equipos es

que la planta opera a temperaturas mayores a las del diseo. A estas temperaturas

disminuye la eficiencia del enfriamiento de los gases, afectando aguas arriba la

eficiencia del Soplador Principal V10 (aumento del volumen de los gases,

disminuyendo la capacidad de captacin de gases desde fundicin).

41

Los intercambiadores W7/1-2, W21/1-4 y W8 del sistema de la torre de

enfriamiento W11 realizan una transferencia de calor cercana a las condiciones de

diseo.

2) Aguas de enfriamiento

Se evalu el coeficiente de transferencia global de calor (U) y el factor de

ensuciamiento (Rd) exclusivamente para el agua, debido a que en el lado del cido

los intercambiadores de calor no presentan ensuciamiento significativo (solo en

situaciones de emergencia por obstruccin con material cermico desprendido del

relleno de las torres de absorcin).

Las corrientes de agua generan un alto grado de ensuciamiento y formacin de

slidos en los intercambiadores de manera paulatina en el transcurso del tiempo, por

tratamiento inadecuado (incrustacin de carbonatos), arrastre de polvo, arrastre de

concentrados de cobre y variaciones del pH del agua en las torres. Las variaciones

de pH disuelven las protecciones y xidos de las tuberas precipitndolas en el

interior de los intercambiadores.

El coeficiente de transferencia de calor global entre un fluido caliente a

temperatura (TC1; TC2) y otro fro a temperatura (TF1; TF2) separados por una pared

plana se define mediante la ecuacin de calor.10

LMTDAUHTTcpm FF == )( 12

42

m: Flujo msico foco fro.

cp: Calor especfico foco fro.

En donde despejamos y obtenemos:

LMTDAH

LMTDATTcpmU FF

**)( 12 ==

El clculo del LMTD se realiza con las temperaturas de entrada y salida de

ambos flujos, entregando una media logartmica de la variacin de temperatura en el

intercambiador.

A continuacin, en la Figura 8 se muestra el perfil de temperatura para flujo

contracorriente.

Figura 8. Perfil de temperatura para flujo contracorriente.10

El clculo del LMTD se realiza con la siguiente ecuacin:

43

=

12

21

1221

ln

)()(

FC

FC

FCFC

TTTT

TTTTLMTD

En un proyecto es necesario calcular los coeficientes de transferencia de calor,

pero suele ser til en las estimaciones preliminares el tener un valor aproximado de

U de las condiciones que han de encontrarse en la prctica.10

Con frecuencia resulta imposible predecir el coeficiente de transferencia de calor

global de un intercambiador de calor al cabo de un cierto tiempo de funcionamiento,

teniendo slo en cuenta el anlisis trmico; durante el funcionamiento con la mayora

de los lquidos, se van produciendo gradualmente unas pelculas de suciedad sobre

la superficie en la que se realiza la transferencia trmica, que pueden ser de xidos,

incrustaciones de calizas procedentes de la caldera, lodos, carbonilla u otros

precipitados.10

El efecto que sta suciedad se conoce con el nombre de incrustaciones, y

provoca un aumento de la resistencia trmica del sistema; normalmente el fabricante

no puede predecir la naturaleza del depsito de suciedad o la velocidad de

crecimiento de las incrustaciones, limitndose nicamente a garantizar la eficiencia

de los intercambiadores limpios.10

La resistencia trmica del depsito se determina a partir de ensayos reales o de

la experiencia. Si se realizan ensayos de rendimiento en un intercambiador limpio y

se repiten despus de que el aparato haya estado en servicio durante algn tiempo,

44

se puede determinar la resistencia trmica del depsito (o factor de incrustacin) Rd

mediante la relacin:

URdcalc

1=

U: Coeficiente global.

Rdcalc: Factor de ensuciamiento calculado.

A continuacin, en la Tabla 17 se muestran factores de ensuciamiento normales para

distintos tipos de de lquidos de refrigeracin.

Tabla 17. Factores de ensuciamiento normales.

Tipo de fluido Requiv (m2 C/ kW)

Agua de mar por debajo de 52 C 0,9

Agua de mar por encima de 52 C 0,3

Agua de alimentacin de calderas por encima de 52 C 0,5

Agua de ro 0,5-0,6

Agua condensada en un ciclo cerrado 0,5

Agua de torre de refrigeracin tratada 0,6-0,8

Lquido refrigerante 0,5

Fuente: www.scribd.com

45

La Tabla 18 muestra el LMTD, U y Rd para los Intercambiadores de calor de

placas de la planta de cido de la Divisin Ventanas, obtenidos del catlogo de la

empresa que diseo y construyo estos equipos, Alfa Laval. El calor del foco fro es el

agua y el LMTD corresponde a flujo contra corriente.

Tabla 18. LMTD, U y Rd, de diseo para los Intercambiadores de calor de placas.

rea LMTD H U Rd m2 C KW KW/m2C m2C/KW

W1/1 108,0 18,0 7.168 3,69 0,27

W1/2 108,0 18,0 7.168 3,69 0,27

W1/3 108,0 18,0 7.168 3,69 0,27

W20 101,1 18,0 9.416 5,17 0,19

W7/1 101,5 17,5 3.907 2,20 0,45

W7/2 101,5 17,5 3.907 2,20 0,45

W21/1 105,4 50,3 7.791 1,47 0,68

W21/2 105,4 50,3 7.791 1,47 0,68

W21/3 105,4 50,3 7.791 1,47 0,68

W21/4 105,4 50,3 7.791 1,47 0,68

W8 105,4 36,6 7.647 1,98 0,50

W9 28,5 26,0 1.537 2,07 0,48 Fuente: Catlogo Alfa Laval

A continuacin, de la Tabla 19 a la 24 se presentan resmenes de las

mediciones de las temperaturas para el agua de enfriamiento y clculos de los

valores reales de H para cada intercambiador de calor de placas, los cuales deben

ser congruentes con los calculados para el cido.

46

Tabla 19. Valores reales temperatura, flujo y H del agua en intercambiadores W1/1-3.

Entrada Salida H Agua Fecha Da-Mes-Ao C C KW

05-07-2010 21,8 31,6 11.331

12-07-2010 22,0 32,4 12.024

19-07-2010 21,5 31,3 11.331

26-07-2010 20,5 30,3 11.331

02-08-2010 21,7 31,0 10.753

Promedio 21,5 0,59 31,3 0,77 11.354 450,5




05-07-2010 21,8 26,5 2.183

12-07-2010 22,3 26,9 2.136

19-07-2010 23,2 27,4 1.950

26-07-2010 21,5 25,8 1.997

02-08-2010 23,7 28,1 2.043

Promedio 22,5 0,93 26,9 0,87 2.062 96,6


47



05-07-2010 21,0 34,5 6.038

12-07-2010 21,0 41,4 9.124

19-07-2010 20,5 41,1 9.214

26-07-2010 21,1 40,0 8.453

02-08-2010 20,2 40,5 9.079

Promedio 20,8 0,39 39,5 2,85 8.382 1.344,2




05-07-2010 21,0 41,3 28.749

12-07-2010 22,4 42,0 27.757

19-07-2010 22,8 41,1 25.916

26-07-2010 21,0 40,0 26.907

02-08-2010 21,2 39,5 25.916

Promedio 21,7 0,86 40,8 1,01 27.049 1.222,6


48

Tabla 23. Valores reales temperatura, flujo y H del agua para intercambiador W8.

Entrada Salida H Agua Fecha Da-Mes-Ao C C KW 05-07-2010 21,0 42,3 6.775

12-07-2010 18,2 43,0 7.889

19-07-2010 18,4 43,0 7.825

26-07-2010 21,0 42,6 6.871

02-08-2010 19,8 41,5 6.903

Promedio 19,7 1,35 42,5 0,62 7.253 554,2


Tabla 24. Valores reales temperatura, flujo y H del agua para intercambiador W9.


05-07-2010 21,4 36,0 879

12-07-2010 20,3 36,5 975

19-07-2010 22,5 37,1 879

26-07-2010 24,1 36,9 770

02-08-2010 18,3 36,5 1.095

Promedio 21,3 2,20 36,6 0,42 920 122,0


A continuacin, en la Tabla 25 se presenta un resumen con los coeficientes de

transferencia global de calor y factores de ensuciamiento calculados.

49

Tabla 25. LMTD, U y Rd reales calculados para los intercambiadores de calor de placas de la planta de cido.

rea LMTD Real H Real Promedio U Real Rd Real

m2 C KW KW/m2C m2C/KW

W1/1 108,0 20,0 3.784,67 1,75 0,57

W1/2 108,0 20,0 3.784,67 1,75 0,57

W1/3 108,0 20,0 3.784,67 1,75 0,57

W20 101,1 18,0 2.061,00 1,13 0,88

W7/1 101,5 31,0 4.191,00 1,33 0,75

W7/2 101,5 31,0 4.191,00 1,33 0,75

W21/1 105,4 48,0 6.762,25 1,34 0,75

W21/2 105,4 48,0 6.762,25 1,34 0,75

W21/3 105,4 48,0 6.762,25 1,34 0,75

W21/4 105,4 48,0 6.762,25 1,34 0,75

W8 105,4 36,0 7.253,00 1,91 0,52

W9 28,5 34,0 920,00 0,95 1,05

Los clculos realizados en la Tabla 25 se encuentran presentes en el Anexo I.

Anlisis a mediciones y clculos realizados en aguas de enfriamiento

Los factores de ensuciamiento del agua en los intercambiadores de calor de

placas pertenecientes al sistema de enfriamiento de la torre W25 son mayores que

los de diseados por Alfa Laval, esto se debe a la gran contaminacin del agua en la

torre W25, reflejado finalmente en la menor transferencia de calor mostrada.

50

Para los intercambiadores de calor de placas pertenecientes al sistema de

enfriamiento de la torre W11 se aprecian factores de ensuciamiento para el agua

cercanos al diseo. Estos valores son congruentes, debido a que la transferencia de

calor real se aproxima al diseo.

Tabla 26. Comparacin entre diseo, clculo realizado al cido y agua de H.

H Diseo cido

H Diseo agua

H Real cido

H Real agua

Sistema de Enfriamiento Intercambiador

kW kW kW kW

W1/1-3 -21.504 21.504 -11.565 11.354

W20 -9.416 9.416 -2.178 2.062

W9 -1.537 1.537 -927 920

Torre W25

Sub Total 1 -32.457 32.457 -14.670 14.336

W7/1-2 -7.815 7.815 8.505 8.382

W21/1-4 -31.164 31.164 -27.093 27.049

W8 -7.647 7.647 -7.275 7.253

Torre W11

Sub Total 2 -46.626 46.626 -42.873 42.684

Total -79.083 79.083 -57.543 57.020

La Tabla 26 muestra en resumen que el calor transferido al agua es muy

cercano al diseo en los intercambiadores W7/1-2, W21/1-4 y W8, los cuales forman parte del sistema de enfriamiento de la Torre W11.

En los intercambiadores W1/1-3, W20 y W9, los cuales forman parte del sistema de enfriamiento de la torre W25, se observa que el calor transferido al agua representa la mitad que el diseado por Hugo Petersen.

51

4.1.2 Intercambiadores Gas-Aire (Conversin y Absorcin)

Existe una prdida de calor en los intercambiadores de calor de tubos

concntricos gas-aire de los reactores de conversin de SO2 a SO3. En los

intercambiadores W26 y W27 el aire caliente de salida es simplemente liberado a la

atmsfera.

El Intercambiador W26 enfra el SO3 formado y el resto de SO2 sin reaccionar

proveniente del tercer lecho del reactor C1, que despus se enfra en el

intercambiador W23 para su posterior envo a la Torre de Absorcin Intermedia K6.

En Intercambiador W27 enfra el SO3 restante formado que proviene del cuarto lecho del reactor C1, que despus se enfra en el intercambiador W24 para su

posterior envo a la Torre de Absorcin Final K5.

Tabla 27. Parmetros de diseo para intercambiadores W26 y W27.

Flujo Msico Cp T H Intercambiadores

Kg/s KJ/KgC C KW

W26 56,24 1,045 -44,6 -2.621

W27 43,25 1,076 -11,9 -554

Fuente: Hugo Petersen Total 3.175

En la Tabla 28 y Tabla 29 se observa un resumen de las entalpas calculadas

con las temperaturas reales para cinco mediciones realizadas, manteniendo el flujo

de diseo para los intercambiadores W26 y W27 respectivamente.

52

4.1.2.1. Mediciones y clculos realizados

Tabla 28. H reales calculados para el intercambiador W26.

Fecha Entrada Salida H

Da-Mes-Ao C C KW

09-08-2010 479,1 439,9 -2.301

16-08-2010 482,1 440,5 -2.445

23-08-2010 480,0 442,3 -2.216

30-08-2010 479,4 440,1 -2.310

06-09-2010 480,1 439,7 -2.374

Promedio 480,1 1,2 440,5 1,0 -2.329 85,9


Tabla 29. H reales calculados para el intercambiador W27.

Fecha Entrada Salida H

Da-Mes-Ao C C KW

09-08-2010 422,6 408,9 -638

16-08-2010 422,1 410,2 -554

23-08-2010 423,3 409,1 -661

30-08-2010 423,5 408,4 -703

06-09-2010 424,4 409,1 -712

Promedio 423,2 0,9 409,1 0,7 -653 63,4


53

Tabla 30. Resumen comparativo de valores de diseo versus los valores reales de calor transferido en los intercambiadores W26 y W27.

H Diseo H Real Promedio Intercambiador KW KW

W26 -2.621 -2.330

W27 -554 -654

Total -3.175 -2.984

Anlisis a mediciones y clculos realizados a intercambiadores Gas-Aire

La operacin de los intercambiadores W26 y W27 es optima y similar al diseo,

sin embargo, se debe tener en cuenta que el calor que se libera a la atmsfera por

estos equipos es bajo y no es constante. Existen periodos en que no circula aire de

enfriamiento en las siguientes situaciones:

Bajo SO2 desde Fundicin.

Bajo flujo de gases.

Partidas semanales de planta y de mantencin anual.

A continuacin, en el Capitulo 5 se presenta el diseo de un sistema de

recuperacin de energa enfocado a las necesidades de la empresa. Finalmente se

realiz un anlisis econmico.

54

Capitulo 5

5.1. Diseo de Sistema de Recuperacin de Energa para la Planta de cido de la Divisin Ventanas

Como fue planteado en el marco terico y demostrado en la evaluacin de la

situacin energtica de la Planta de cido de la Divisin Ventanas, el rea ptima

para disear un sistema de recuperacin de energa es en los circuitos de los

sistemas de aguas de enfriamiento, siendo el circuito de cido fuerte de la Torre W11

el elegido para realizar el diseo debido a que:

Transporta 2/3 del calor total aprovechable de las aguas de enfriamiento. Operacin estable en la transferencia de calor. Parmetros operacionales y transferencia de calor cercana al diseo.

A continuacin, en la Figura 9 se observa el circuito de la Torre W11.

Figura 9. Esquema actual del circuito de la Torre W11.

55

La Torre W11 enfra 1.879 m3/hr de agua desde 40C hasta 20C con dos

ventiladores de tiro inducido (VTI), evaporando 51,5 m3/hr de agua. El agua proviene

de los intercambiadores:

W21/1-4: Cuatro intercambiadores que operan con 1.220 m3/hr de agua y enfran el cido de la Torre de Absorcin Intermedia K6.

W7/1-2: Dos intercambiadores que operan con 385 m3/hr de agua y enfran el cido de la Torre de Secado Primario K3.

W8: Un intercambiador que opera con 274 m3/hr de agua y enfran el cido de la Torre de Absorcin Final K5.

5.1.1. Sistema de Recuperacin de Energa "circuito de cido fuerte"

5.1.1.1. Descripcin del sistema

El nuevo sistema de recuperacin de energa consiste en la incorporacin de

tres intercambiadores de calor de placas Alfa Laval idnticos, que aprovechan el

calor del cido en la absorcin intermedia. Los tres equipos enfriarn un total de 935

m3/hr de cido concentrado al 98,5% desde 95C hasta 65C proveniente de una

purga del fondo de la Torre de Absorcin Intermedia K6. El cido frio ser devuelto

al tope de la Torre K6, para mantener el volumen de cido necesario de operacin de

la torre.

Se utilizar un total de 788 m3/hr de agua a 40C proveniente de una purga de

los ductos de salida de los intercambiadores W21/1-4, W7/1-2 y W8. El agua

caliente saldr de los nuevos intercambiadores a 62C.

56

A continuacin, en la Figura 10 se presenta un esquema general del proceso.

Figura 10. Esquema general del nuevo sistema de recuperacin de calor.

5.1.1.2. Usos para el agua a 62C obtenida

El agua a 62C obtenida podr calefaccionar el 22% (549 m3/hr) del electrolito

circulante total en Refinera Electroltica desde 55 a 60C. El agua una vez utilizada

en Refinera saldr a 58C (el detalle de estos clculos en Anexo II).

Una purga de 50 m3/hr de agua a 58C servir para precalentar 30 m3/hr de

agua fresca desde 25C a 55C para alimentacin a calderas (el detalle de estos

clculos en Anexo II).

57

Se podr generar un ahorro de combustible en la caldera, debido que requerir

menor energa para generar vapor saturado a 100C (2,5 kg/cm2), representando un

ahorro de 4,1% de energa (el detalle de estos clculos en Anexo II).

Los 738 m3/hr de agua restante a 58C servirn para calefaccin de otros

procesos. Finalmente se juntan los flujos (788 m3/hr) y retorna toda el agua a la

Planta de Acido a 40C directamente a la Torre W11 para enfriarse hasta 20C y as

completar el circuito cerrado.

A continuacin, en la Figura 11 se muestra un esquema del aprovechamiento

del calor del agua a 62C generada en la Planta de cido.

Figura 11. Esquema del aprovechamiento de agua caliente generada en la Planta de cido.

58

Es importante destacar que tres de los cuatro actuales intercambiadores W21

quedarn stand by en caso de detencin del proceso de la Refinera Electroltica,

para no afectar la operacin de la Planta de Acido.

A continuacin, en la Tabla 31 se presentan las ventajas y desventajas de la

implementacin de los nuevos intercambiadores de calor de placas.

Tabla 31. Ventajas/Desventajas del sistema de recuperacin de calor del circuito del cido fuerte


Ahorro de agua equivalente al 50% para el circuito de enfriamiento de la Torre W11 (se podra operar con un VTI).

Disminucin de un 50% en la evaporacin de la Torre W11.

Ahorro de un total de 26% de gas natural (calefaccin de electrolito y precalentamiento de agua fresca a las Calderas)

Los intercambiadores de placas ocupan menos espacio fsico y tienen cadas de presin ms bajas que intercambiadores de calor de tubos y carcasa.

Los intercambiadores de placas son fciles de limpiar, resisten la corrosin y las altas temperaturas del cido.

Los intercambiadores de placas representan un costo menor que intercambiadores de tubos y carcasa.

Baja vida til de las empaquetaduras de inter-cambiadores de placas, debido a que en el momento de realizar mantenciones a estos equipos, estas se rompen.

Los intercambiadores de placas son ms propensos a fugas de lquido, que intercambiadores de tubos y carcasa.

59

5.1.2. Diseo operacional de nuevos Intercambiador de Placas

Criterios para diseo operacional de intercambiadores

1. Seleccin del flujo de cido y agua

Fueron estudiadas tres alternativas de flujo para el diseo de los

intercambiadores, utilizando como base de clculo el flujo de cido a un 40%, 75% y

100% del flujo total de la Torre K6 (1.245 m3/hr) a 95C a la entrada de los

intercambiadores nuevos y 65C a la salida. Adems se fijaron las temperaturas del

agua en 40C para la entrada y 62C para la salida (temperatura mnima para

calefaccionar electrolito en Refinera Electroltica).

Tabla 32. Opciones de flujos totales para el diseo de intercambiadores nuevos.

Opciones para

diseo

Acido

Agua

T Agua

T Acido

Q

Agua Total

Torre W11

Ahorro de Agua

Torre W11 ElectrolitoCaliente

m3/hr m3/hr C C KW m3/hr Actual - - - - - 1.879 - - 40% de

cido K6 500 422 22 30 10.766 1.350 28% 12%

75% de cido K6 935 788 22 30 20.133 946 50% 22%

*100% de cido K6

1.245 1.050 22 30 26.808 - - -

100% de cido K6 1.245 550 42 30 26.808 1.209 36% 15%

60

* Observacin: No es posible la opcin de enfriar el 100% (1.245 m3/hr) de cido utilizando 1.050 m3/hr de agua a 40C (T = 22C), debido a que si todos los

intercambiadores W21/1-4 son dejados "stand by" solo existe un mximo de 659

m3/hr real de agua a 40C que proviene de los intercambiadores W7/1-2 y W8.

Como se muestra en la Tabla 32 utilizando un 75% del flujo total de cido de la

Torre K6 se obtiene el equilibrio ptimo de los flujos, por este motivo, el diseo se

realizo segn esta proporcin.

2. Seleccin del nmero y el tipo de intercambiadores

La seleccin del nmero de equipos se gui por los flujos mximos de operacin

en los distintos tipos de intercambiadores del catlogo de Alfa Laval. Las alternativas

ms cercanas para los flujos estudiados se presentan en la Tabla 33.

Tabla 33. Tipos de intercambiadores de placas y flujos mximos de operacin.

TIPO P25 P4 P16

Flujo total mximo: m3/h 450 260 400 Fuente: Alfa Laval

De esta tabla fue seleccionado el intercambiador tipo P16, por lo tanto, para un

flujo total de cido de 935 m3/hr se requieren tres intercambiadores con un flujo de

311,67 m3/hr de cido para cada equipo.

61

A continuacin, se muestra el diseo de los intercambiadores, que funcionarn

en paralelo. Los clculos se basan en la informacin para diseo de

intercambiadores de placas de la empresa Alfa Laval (Protocolo de diseo por Alfa Laval en Anexo I).

Diseo operacional por intercambiador

A continuacin, en la Tabla 34 se presentan las propiedades fsicas y

condiciones de operacin para el cido y el agua para realizar los clculos de diseo

por intercambiador.

Tabla 34. Propiedades fsicas y condiciones de operacin para los fluidos.

Unidades Acido Agua

Densidad () Kg/m3 1.782 1.000

Calor especfico (cp) KJ/Kg*C 1,45 4,18

Conductividad (k) KJ/m*hr*C 1,30 2,24

Viscosidad () Kg/m*hr 14,40 2,16

Flujo volumtrico (FV) m3/hr 311,67 262,67

Temperatura entrada C 95 40

Temperatura Salida C 65 62

1) Carga de Calor, Q

Q = m * cp * T

Q = 311,67 * (1.782 / 3600) * 1,45 * (95 - 65)

Q = 6.711 KW

62

2) Temperatura media logartmica, LMTD

t1 = T1 t2 = 95 62 = 33C

t2 = T2 t1 = 65 40 = 25C

LMTD = (t1 - t2) / LN (t1 / t2) = (33 25) / LN (33/25)

LTMD = 28,8 C

3) Resistencias a la incrustacin, r

A continuacin, en la Tabla 35 se presentan resistencias a la incrustacin para

intercambiadores de placas Alfa Laval.

Tabla 35. Resistencias a la incrustacin para diseo de intercambiadores de placas.

Fluido r x 105 m2*C/W Agua Desmineralizada o destilada 0,17 Blanda 0,34 Dura 0,86 De enfriamiento (tratada) 0,70 De mar 0,86 De ro 0,86 Aceites lubricantes 0,34 a 0,86 Aceites vegetales 0,34 a 1,03 Solventes orgnicos 0,17 a 0,51 Vapor 0,17 Fluidos de proceso 0,34 a 1,03

Fuente: Alfa Laval

63

Acido, ra = 0,5 * 10-5 m2*C/W

Agua, rw = 0,86 * 10-5 m2*C/W

4) Nmero de unidades de transferencia de calor, HTU

Acido, HTU = (T1 T2) / (LTMD) = (95 - 65) / (28,8) = 1,0

Agua, HTU = (t2 t1) / (LTMD) = (62 - 40) / (28,8) = 0,76

HTU Total = 1,76 2,0

5) rea provisional requerida, Ao

Suposicin, U = 2500 W/m2

(Fluidos de proceso 2000-3000 W/m2 para intercambiadores de placas)

Ao = Q / (U*LTMD) = 6.711.000 / (2500 * 28,8)

Ao = 93,2 m2

6) Tipo y caractersticas de las placas

A continuacin, en la Tabla 36 se presentan distintos tipos de placas para

intercambiadores Alfa Laval, con sus respectivas dimensiones.

64

Tabla 36. Caractersticas de algunas de las placas standard Alfa Laval.

TIPO P25 P4 P16 Ancho de las placas: mm 1000 844 1080 rea de intercambio/placa: m2 0,61 0,75 0.81 Nmero mximo de placas 600 500 300 rea de intercambio mx.:m2 366 375 243 Espesor de las placas : mm 1,0 0,6 1,1 Espacio entre placas: mm 4,9 5,2 2,7 5,3 Temperatura mxima C 300 300 300 - Elastmeros 140 140 140 - Asbesto ----- 280 ----- Flujo/canal: m3/h 4 10 1,1 2,5 5 12,5 Flujo total mximo: m3/h 450 260 400 Presin mx. de diseo: atm 12 12 6

Fuente: Alfa Laval

De la Tabla 36, fue elegido el tipo P16, para un flujo mximo de 400 m3/hr y un

mximo de 300 placas. Las dimensiones son:

Ap = 0,81 m2 (rea lateral de cada placa)

b = 5,3 mm = 0,0053 m (distancia entre placas)

x = 1,1 mm = 0,0011 m (espesor de la placa)

w = 1.080 mm = 1,08 m (ancho de cada placa)

7) Nmero de placas trmicas Np y nmero total de canales Nc

Np = Ao / Ap = 93,2 / 0,81 = 115 placas

Nc = Np + 1 = 116 canales

65

8) Nmero de canales paralelos por paso, np

np = Fv / v (nmero de canales en que debe dividirse el flujo)

Fv = 311,67 m3/hr (se toma el mayor flujo volumtrico)

v = 9 m3/hr (Flujo por canal, de la Tabla 44, v = 5 12,5)

np = 311,67 / 9 = 34,6

np = 35

9) Arreglo del intercambiador y factor trmico

Nmero de pasos, n = Nc / 2 * np

n = 116 / (2 * 35) = 1,7 2

Por lo tanto, es un intercambiador del tipo 2/2 con 35 canales.

Np (real) = (2 * 35 + 2*35) -1

Np (real) = 139 placas trmicas

Figura 12. Factor trmico para intercambiadores de placas (Alfa Laval).

De la Figura 12 se obtiene: FT = 0,93.

66

10) Coeficiente de pelcula

cido

Dimetro equivalente, De = 2 * b

De = 2 * 0,0053 = 0,0106 m

Velocidad msica, G = m / a

m = 311,67 * 1.782 = 555.396 kg/hr

rea de seccin transversal ofrecida por el conjunto de canales de cada paso,

a = a * np

rea de seccin transversal de un canal, a = w * b

a = 1,08 * 0,0053 = 0,00572 m2

a = 0,00572 * 35 = 0,20 m2

G = 555.396 / 0,20 = 2.776.980 Kg/hr*m2

Reynolds, Re = De * G /

Re = 0,0106 * 2.776.980 / 14,4

Re = 2.044 > 400 (flujo turbulento)

Pr = cp * / k

Pr = 1,45 * 14,4 / 1,3 = 16,1

Para flujo turbulento se tiene que h = 0,2536 * (k / De) * (Re)0,65 * (Pr)0,4

h = 0,2536 * (1,3 / 0,0106) * (2.044)0,65 * (16,1)0,4 = 13.407 KJ / hr*m2*C

hcido = 3.724 W/m2*C

67

Agua

Dimetro equivalente, De = 2 * b

De = 2 * 0,0053 = 0,0106 m

Velocidad msica, G = m / a

m = 262,64 * 1.000 = 262.670 kg/hr

G = 262.670 / 0,20 = 1.313.350 Kg/hr*m2

Reynolds, Re = De * G /

Re = 0,0106 * 1.313.350 / 2,16

Re = 6.445 > 400 (flujo turbulento)

Pr = cp * / k

Pr = 4,18 * 2,16 / 2,24 = 4,03

Para flujo turbulento se tiene que h = 0,2536 * (k / De) * (Re)0,65 * (Pr)0,4

h = 0,2536 * (2,24 / 0,0106) * (6.445)0,65 * (4,03)0,4 = 28.003 KJ / hr*m2*C

hagua = 7.779 W/m2*C

11) Coeficiente total de transferencia de calor y rea real

rTotal = 1/hcido + ra + rw + 1/hagua

rTotal = 1/ 3.724 + 0,5*10-5 + 0,86*10-5 + 1 / 7.779

rTotal = 0,00041 m2*C/W

Ureal = 1 / rTotal

Ureal = 2.435 W/m2*C

68

rea necesaria para la transferencia de calor:

Ao = 6.711.000 / (2.435 * 28,8 * 0,93) = 103 m2

rea Disponible, Ad = Np * Ap

Ad = 139 * 0,81 = 113 m2 (es mayor que el rea necesaria)

Exceso de rea = [ (Ad - Ao) / Ao ] * 100%

Exceso de rea = [ (113 103) / 103 ] * 100%

Exceso de rea = 9,7% (Permitido no mayor a 15%)

12) Cada de Presin

cido

P = (2 * f * G2 * L) / (g * De * )

f = 2,5 / (Re0,3) = 2,5 / (2.0440,3) = 0,25

G2 = (2.776.980)2

L = l * n

l = Ap / w = 0,81 / 1,08 = 0,75 m

L = 0,75 * 2 = 1,5 m

De = 0,0106 m

g = 9,8 m/seg2 = 1,27*108 m/hr2

P = (2 * 0,25 * (2.776.980)2 * 1,5) / (1,27*108 * 0,0106 * 1.782)

P = 2.411 Kg/m2 = 0,24 Kg/cm2 = 3,42 psi

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Agua

P = (2 * f * G2 * L) / (g * De * )

f = 2,5 / (Re0,3) = 2,5 / (6.4450,3) = 0,2

G2 = (1.313.350)2

P = (2 * 0,2 * (1.313.350)2 * 1,5) / (1,27*108 * 0,0106 * 1.000)

P = 770 Kg/m2 = 0,08 Kg/cm2 = 1,1 psi

13) Resumen del diseo

Fueron seleccionados tres intercambiadores de Placas Alfa Laval, tipo P16, que utilizarn cada uno 139 placas y se arreglan en 2 pasos para cada fluido con 35 canales paralelos por paso, con lo cual se tiene un rea de transferencia de calor

disponible de 113 m2 por intercambiador.

La cada de presin total en la lnea de los tres intercambiadores para el cido

es de 0,72 Kg/cm2 y para el agua de 0,24 Kg/cm2.

70

5.1.3. Diseo operacional de bomba para intercambiadores nuevos

La nueva bomba succionar agua desde un estanque de traspaso de 8 m3 que

recibe agua de los intercambiadores W21, W7/1-2 y W8 a 40C. La descarga pasar

a travs de los nuevos intercambiadores de placas, calefaccin de electrolito,

precalentamiento de agua fresca de alimentacin de calderas y calefaccin de otros

procesos. Finalmente el agua llegar a las piscinas en el tope de la Torre de

enfriamiento W11 en la Planta de Acido.

A continuacin, en la Figura 13 se muestra el esquema general.

Figura 13. Esquema de nueva bomba para sistema propuesto.

71

Suposicin:

P Calefaccin de Electrolito: 0,2 kg/cm2

P Precalentamiento agua de calderas: 0,1 kg/cm2

P Calefaccin de otros procesos: 0,2 kg/cm2

Propiedades fsicas y parmetros de diseo:

- = 1,45 lb/pie*hr = 4*10-4 lb/pie*seg

- PSUCCIN = 1,03 kg/cm2 = 14,7 psi

- PDESCARGA = 0,24 + 0,2 + 0,1 + 0,2 +1,03 = 1,77 kg/cm2 = 25.2 psi

- gc = 32,2 lb*pie/lbf*seg2

- = 62,4 lb/pie3

Descarga 1: hasta el Punto 1 (788 m3/hr)

Caudal, Q:

Q = 788 m3/h = 3.470 GPM = 7,73 pies3/seg

De la Tabla 9.2,

Apuntes Mecnica de Fluidos, Profesor Jos Torres, PUCV (Anexo II):

Velocidad recomendable para descarga, Vr = 15 pies/seg

72

Capacidad:

Cap. = 3.470 / 15 = 231 GPM / pies/seg

Dimetro y rea:

De la Tabla 9.3,


DN = 10

DE = 10,75, DI = 9,75

A = /4 * (DI/12)2 = /4 * (9,75/12)2 = 0,52 pie2

Velocidad real de descarga, VD:

VD = Q / A = 7,73 / 0,52 = 14,9 pies/seg

Largo Equivalente, Leq:

Largo caera recta, L = 250 = 820,1 pies

Suposicin: Largo fittings 40%,

Leq = 820,1 * 1,4 = 1.148 pies

Reynolds, Re:

Re = DI * VD * / = (9,75 / 12) * 14,9 * 62,4 / (4*10-4) = 1.888.575

73

Prdidas en la descarga, hfD:

/D1 = 0,0002, f = 0,015

hfD = f * Leq * (VD)2 / 2 * gc * DI

hfD1 = 0,015 * 1.148 * (14,9)2 * 12 / (2 * 32,2 * 9,75) = 73,1 lbf*pie/lb

Descarga 2: desde Punto 1 hasta el Punto 2 (50 m3/hr)

Caudal, Q:

Q = 50 m3/h = 220 GPM = 0,5 pies3/seg

Velocidad recomendada para descarga (Anexo II), Vr = 7 pies/seg

Capacidad:

Cap. = 220 / 7 = 31,4 GPM / pies/seg

Dimetro y rea:

De la Tabla 9.3,


DN = 4

DE = 4,5, DI = 3,624

A = /4 * (DI/12)2 = /4 * (3,624/12)2 = 0,07 pie2

74

Velocidad real de descarga, VD:

VD = Q / A = 0,5 / 0,07 = 7,14 pies/seg


Largo caera recta, L = 30 = 98,4 pies


Leq = 98,4 * 1,4 = 137,8 pies

Reynolds, Re:

Re = DI * VD * / = (3,624/ 12) * 7,14 * 62,4 / (4*10-4) = 336.379


/D2 = 0,0004, f = 0,018

hfD = f * Leq * (VD)2 / 2 * gc * DI

hfD2 = 0,018 * 137,8 * (7,14)2 * 12 / (2 * 32,2 * 3,624) = 6,5 lbf*pie/lb

75

Descarga 3: desde Punto 1 hasta el Punto 2 (738 m3/hr)

DI = 9,75

A = 0,52 pie2

Q = 738 m3/hr = 7,24 pie3/seg

VD = 7,24 / 0,52 = 13,9 pies/seg


Largo caera recta, L = 50 = 164 pies


Leq = 164 * 1,4 = 230 pies

Reynolds, Re:

Re = DI * VD * / = (9,75 / 12) * 13,9 * 62,4 / (4*10-4) = 1.761.825


/D3 = 0,0002, f = 0,015

hfD = f * Leq * (VD)2 / 2 * gc * DI

hfD3 = 0,015 * 230 * (13,9)2 * 12 / (2 * 32,2 * 9,75) = 12,7 lbf*pie/lb

76

Descarga 4: desde Punto 2 hasta Torre W11 (788 m3/hr)

Calculo IC (Pag.51)

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