proyecto de tesis-heiser farje

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

Farje Epiquien, Heiser

1

UNIVERSIDAD CÉSAR VALLEJO



PROYECTO DE TESIS

DISEÑO DE UN CONDENSADOR PARCIAL A MEZCLA DE GASES

RESIDUALES POR AGUA FRIA PARA LA CALDERA ACUOTUBULAR

Nº12 DE 100 TM/H EN LA EMPRESA AGROINDUSTRIAL CASA

GRANDE S.A.A PARA REDUCIR EL IMPACTO MEDIO AMBIENTAL.

AUTOR:

FARJE EPIQUIEN, Heiser

ASESOR:

PAREDES ROSARIO, Raúl Rosali

TRUJILLO – PERU

2012




2

INDICE

INDICE DE CUADROS ............................................................................................................... 4

INDICE DE FIGURAS ................................................................................................................. 5

I. ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO: .............................................................. 7

1.1. Titulo tentativo ............................................................................................................. 7

1.2. Autor ................................................................................................................................ 7

1.3. Tipo de investigación ................................................................................................... 7

1.4. Lugar de investigación ................................................................................................ 7

1.5. Institución que investiga ............................................................................................. 7

1.6. Duración del proyecto ................................................................................................. 7

1.7. Cronograma De Trabajo ............................................................................................ 8

1.8. Recursos .......................................................................................................................... 9

1.9. Presupuesto ................................................................................................................. 10

1.10. Financiamiento ................................................................................................... 10

II. PLAN DE INVESTIGACION ...................................................................................... 12

2.1. EL PROBLEMA ........................................................................................................ 12

2.1.1. Realidad Problemática ...................................................................................... 12

2.1.2. Antecedentes ...................................................................................................... 13

2.1.3. Formulación Del Problema............................................................................... 14

2.1.4. Justificación ....................................................................................................... 14

2.1.5. Limitaciones ....................................................................................................... 14

2.1.6. Delimitaciones .................................................................................................... 15

2.2. OBJETIVOS ............................................................................................................... 15

2.2.1. Objetivo General ............................................................................................... 15

2.2.2. Objetivos Específicos ......................................................................................... 15

2.3. MARCO TEORICO ................................................................................................. 16

2.3.1. Generalidades sobre calderas acuotubular ..................................................... 16

2.3.1.1. Caldera Acuotubular ................................................................................ 16

2.3.1.2. Accesorios de una caldera acuotubular que quema bagazo .................. 18

2.3.1.3. Tipos De Combustibles En Una Caldera Acuotubular .......................... 19




3

2.3.1.3.1. Carbón mineral ...................................................................................... 20

2.3.1.3.2. Bagazo de caña de Azúcar .................................................................... 21

2.3.2. Generalidades sobre la combustión ................................................................. 22

2.3.2.1. Combustión ................................................................................................ 22

2.3.2.2. Clases de reacciones de combustión ......................................................... 23

2.3.3. Generalidades sobre contaminantes en calderas que queman bagazo ......... 24

2.3.3.1. Gases de combustión ................................................................................. 24

2.3.3.2. Componentes de los gases de combustión ............................................... 25

2.3.3.3. Contaminantes en la chimenea de una caldera que quema bagazo ...... 25

2.3.4. Separador de contaminantes (scrubber). ........................................................ 27

2.3.4.1. Tratamiento de contaminantes con agua ................................................ 27

2.3.4.2. Lavador de gas ........................................................................................... 28

2.3.4.3. Tipos de lavadores de gases ...................................................................... 29

2.3.4.4. Ventajas y desventajas de las torres lavadoras ....................................... 32

2.3.5. Generalidades sobre equipos y componentes que integran el sistema ........ 32

2.3.5.1. Diseño de columnas (soportes del scrubber) .......................................... 32

2.3.5.2. Sistema eléctrico ........................................................................................ 35

2.3.5.3. Selección de tuberías ................................................................................. 38

2.3.5.4. Toberas ....................................................................................................... 39

2.3.5.5. Selección de los equipos mecánicos .......................................................... 39

2.4. HIPÓTESIS ................................................................................................................ 43

2.5. VARIABLES .............................................................................................................. 43

2.5.1. Variables independientes .................................................................................. 43

2.5.2. Variable dependiente. ....................................................................................... 43

2.6. DISEÑO DE CONTRASTACIÓN ........................................................................ 45

2.6.1. Tipo de Investigación ........................................................................................ 45

2.6.2. Material de estudio ............................................................................................ 45

2.6.3. Métodos, Técnicas e Instrumentos ................................................................... 45

2.6.4. Población-Muestra ............................................................................................ 46

2.6.5. Diseño de ejecución ........................................................................................... 47

BIBLIOGRAFÌA .............................................................................................................................. 48




4

INDICE DE CUADROS

Tabla 1 Composición química del bagazo seco ........................................................................... 22

Tabla 2 Reacción de Oxidación .................................................................................................... 23

Tabla 3: Características de una torre rociadora .......................................................................... 29

Tabla 4: Características de una torre lecho empacado .............................................................. 30

Tabla 5 : Características de una torre lecho flotante .................................................................. 30

Tabla 6: Características de una torre centrifuga ......................................................................... 31

Tabla 7: Características de una torre tipo Venturi ...................................................................... 31




5

INDICE DE FIGURAS

Figura 1: Configuración de una caldera Acuotubular .................................................................. 16

Figura 2: Esquema general de una caldera acuotubular que quema bagazo ............................. 17

Figura 3: Cámara de combustión (hogar) y chimenea de una caldera....................................... 18

Figura 4 : Carbón mineral. ........................................................................................................... 20

Figura 5 Bagazo caña de azúcar .................................................................................................. 21

Figura 6 Composición De Los Gases De Combustión .................................................................. 25

Figura 7 : Absorción de partículas de material ............................................................................ 27

Figura 8: Valores de K para obtener la longitud efectiva ............................................................ 33

Figura 9: Diferentes tipos de ductos ........................................................................................... 39




6

ASPECTOS

GENERALES DEL

PROYECTO




7

I. ASPECTOS GENERALES DEL PROYECTO:

1.1. Titulo tentativo

Diseño de un condensador parcial a mezcla de gases residuales por agua fría para la

caldera acuotubular Nº 12 de 100 TON/H en la Empresa Agroindustrial Casa

Grande S.A.A para reducir el impacto medio ambiental.

1.2. Autor

Apellido y nombre:

FARJE EPIQUIEN, Heiser

Correo electrónico:

[email protected]

Escuela académica profesional:

Ingeniería Mecánica

1.3. Tipo de investigación

De acuerdo al fin que se persigue:

Investigación Aplicativa

De acuerdo a la técnica de construcción:

Investigación Descriptiva

1.4. Lugar de investigación

Trujillo-La Libertad-Perú

1.5. Institución que investiga

“Empresa Agroindustrial Casa Grande S.A.A”

1.6. Duración del proyecto

ETAPAS INICIO TERMINO Recolección de datos 25/04/2012 23/05/2012

Análisis de datos 18/05/2012 10/05/2012

Elaboración del informe 5/06/2012 30/06/2012



Farje Epiquien, Heiser 8

1.7. Cronograma De Trabajo

ETAPAS ABRIL MAYO JUNIO JULIO

ACTIVIDADES S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4 S1 S2 S3 S4

1. Ideas de proyecto 2. Recopilación de

datos del proyecto

3. Análisis de datos del

proyecto

4. Elaboración de

informe

5. Presentación de

informe

FUENTE: Elaboración propia




9

1.8. Recursos

1.8.1. HUMANOS

Investigador

Asesor

1.8.2. BIENES

Material de escritorio

Papel bond A-4

Lapiceros

Lápiz

Grapas

Corrector

Perforador

Engrapador

Borrador

Folder de manila

USB 2 Gigas

1.8.3. SERVICIOS

Movilidad

Anillado

Internet

Teléfono

Impresiones

Fotocopiado




10

1.9. Presupuesto

NATURALEZA DEL GASTO

NOMBRE DE RECURSO UNIDAD CANTIDAD PRECIO

UNITARIO TOTAL

(SOLES)

9.2.1.

DE CONSUMO: Materiales de escritorio.

Papel Bond A4 Millar 1 25 25

Lapicero Unidad 2 2,5 5

Lápiz Unidad 1 0,5 0,5

Grapas Caja 1 2,5 2,5

Corrector Unidad 1 3,5 3,5

Perforador Unidad 1 18 18

Engrapador Unidad 1 26 26

Borrador Unidad 2 1 2

Folder de manila Unidad 5 0,7 3,5

Memoria USB 2 Gigas Unidad 1 30 30

SUBTOTAL 116

9.2.2.

DE SERVICIOS:

Anillado Unidad 3 3 9

Internet Horas 180 1 180

Impresiones Pagina 200 0,2 40

Fotocopiado Pagina 110 0,1 11

Teléfono Minutos 150 0,5 75

SUBTOTAL 315

9.2.3.

Viáticos y Asignaciones Día 40 7 280

Pasajes y gastos de transporte Viaje 60 2 120

Viajes fuera de la ciudad Viaje 8 6 48

SUBTOTAL 448

9.2.4. Procesamiento de información Horas 50 6 300

SUBTOTAL 300

TOTAL S/. 1179 FUENTE: Elaboración propia

1.10. Financiamiento

Con recursos propios: Autofinanciado 100 %




11

PLAN DE

INVESTIGACIÓN




12

II. PLAN DE INVESTIGACIÓN

2.1. EL PROBLEMA

2.1.1. Realidad Problemática

La contaminación del aire es una de las expresiones del deterioro ambiental que

se presenta a todo nivel, como consecuencia de los Gases de Efecto Invernadero

(GEI) que son emitidos diariamente por las diferentes actividades realizadas en

nuestro país. En la distribución porcentual de emisiones totales de G.E.I en el

Perú; el aporte de los procesos industriales es de 21.2% y el energético es de

6.6% 1

Una de las industrias que emite gases contaminantes al medio ambiente viene a

ser la empresa Agroindustrial Casa Grande SAA, que cuenta con una planta

procesadora de caña de azúcar rubia, y también posee una planta procesadora de

alcohol. Siendo su materia prima básica la caña de azúcar, que luego de ser

procesada obtenemos el bagazo de caña.

La empresa con el fin de minimizar los gastos por la compra de combustible

(petróleo y sus derivados) y no desechar la caña ya procesada, utiliza el bagazo

combinado con el carbón como combustibles para la generación de vapor en su

caldera acuotubular Nº 12 de 100 TM/H de vapor; trayendo como consecuencia

de la combustión de estos dos productos, gases contaminantes (CO, CO2, NO2,

NO, SO2) y partículas de material producidas por la biomasa.

Ante este problema se busca regular las emisiones de los gases contaminantes a

la atmosfera a través de uno de los instrumentos de gestión ambiental como es el

Limite Máximo Permisible (LMP) que mide las concentraciones de las

sustancias presentes en los gases y que si se excede causa daños a la salud, al

bienestar humano y ambiental; esta información de los LMP2 para calderas

acuotubulares es proporcionada por la Norma Técnica Peruana (Calderas

Industriales).

Es así que se propone el diseño de un condensador parcial a mezcla de gases

residuales (scrubber) por agua fría para poder disminuir la contaminación

emanada por los gases residuales de una caldera acuotubular, dicho condensador

se encargara de atrapar algunas partículas producidas en la combustión

utilizando como agente condensante el agua fría.

1CIFRAS AMBIENTALES, emitidas por el Sistema Nacional de Información Ambiental (SINIA) , Diciembre

del 2011 2LMP disponible en: http://www.minam.gob.pe/index.php?option=com_content&view=article&id=100




13

2.1.2. Antecedentes

Se encontró el siguiente trabajo de investigación.

A nivel internacional:

DISEÑO TEORICO DE UN SISTEMA PARA LA LIMPIEZA Y

PURIFICACION DE LA DESCARGA DE GASES DE COMBUSTION,

PRODUCIDA POR LA QUEMA DE ACEITE COMBUSTIBLE RESIDUAL

NUMERO SEIS, EN UNA RED DE CALDERAS.

Realizado por, CHACON FLORES, HUMBERTO ALEJANDRO, Escuela de

Ingeniería Química. Universidad de San Carlos de Guatemala.3

Se llegó a las siguientes conclusiones.

El modelo teórico determinado se ajusta a los requerimientos necesarios

para la limpieza y purificación de los gases de combustión provocados

por la quema de combustible número seis de alta viscosidad, en donde la

remoción de partículas sólidas es 99% y el dióxido de azufre 95%.

La eficiencia global de recolección de partículas en el depurador con

eyector Venturi es directamente proporcional a la caída de presión a

través de la garganta.

La caída de presión estática en cada una de las unidades de tratamiento

del sistema es directamente proporcional al consumo energético del

sistema lo cual se traduce en costo económico.

A nivel nacional.

‘DISEÑO DE UN CONDENSADOR A MEZCLA DE GASES RESIDUALES

POR AGUA FRIA PARA LA CALDERA PIROTUBULAR CLEAVER

BROOKS MODELO CB 600 800 150 DE 800 BHP’

Realizado por, ROJAS HORNA, JOSE MIGUEL JUNIOR, Escuela de

Ingeniería Mecánica. Universidad Cesar Vallejo4

Conclusiones:

La capacidad de condensación es superior a los 800 KW siendo capaz de

condensar al 100% los gases residuales a 45°C.

La temperatura de los gases residuales es superior a 180°C,lo que indica

la necesidad de instalar un condensador (scrubber)

3 La tesis esta disponible en esta pagina web: http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_4753.pdf

4 La tesis esta disponible en la biblioteca de la Universidad Cesar Vallejo-Trujillo




14

2.1.3. Formulación Del Problema

¿Es viable técnica y económicamente reducir la emisión de gases

contaminantes y cenizas, generadas en la caldera acuotubular Nº 12 de la

Empresa Azucarera Casa Grande S.A.A mediante la implementación de

un condensador parcial de gases residuales?

2.1.4. Justificación

Justificación tecnológica

Con esta investigación se busca la implementación de tecnologías innovadoras,

con la utilización de condensadores de gases residuales por agua fría; y de esta

manera reducir los contaminantes que son producidos por la quema de

combustibles en las calderas de nuestro país.

Justificación institucional

Se permitirá que los alumnos de la Universidad Cesar Vallejo interesados en

esta investigación tener una visión más clara de los equipos que sirven para el

lavado, condensado y depuración de gases contaminantes, así como también la

metodología utilizada en el cálculo.

Justificación social

Nos permitirá tener una mejor calidad de vida en lo que respecta a la salud ya

que se reducirá aire contaminado y así se evitaría la proliferación de

enfermedades respiratorias.

Justificación ambiental

Reducción del impacto ambiental que causaría los gases residuales, pues los

gases condensados irían al desagüe y no al aire evitando así la contaminación del

mismo.

2.1.5. Limitaciones

Es autofinanciado por el alumno, lo cual no cubre todos los gastos

necesarios para hacer una investigación adecuada del proyecto.

Limitada bibliografía.




15

2.1.6. Delimitaciones

Este estudio se centrara solo en la evaluación y análisis de los parámetros

energéticos de la Caldera Nº 12 en la Empresa Agroindustrial Casa

Grande S.A.A.

2.2. OBJETIVOS

2.2.1. Objetivo General

Diseñar de un condensador parcial a mezcla de gases residuales por agua

fría para una caldera acuotubular de 100 TM/H, para reducir la emisión de

contaminantes y minimizar el impacto ambiental.

2.2.2. Objetivos Específicos

Calcular el flujo másico de los gases residuales

Calcular la temperatura de los gases residuales

Dimensionar y seleccionar el tipo de condensador a mezcla de gases

residuales

Calcular el flujo másico de agua necesaria

Selección de la bomba de agua

Selección del ventilador

Dimensionar los soportes del scrubber

Seleccionar los motores eléctricos que accionan el ventilador y la bomba de

agua

Reducir la contaminación de aire

Calcula el costo de fabricación del condensador a mezcla de gases

residuales.




16

2.3. MARCO TEORICO

2.3.1. Generalidades sobre calderas acuotubular

2.3.1.1. Caldera Acuotubular

La caldera acuotubular (agua dentro de los tubos), es una máquina o dispositivo

de ingeniería diseñado para generar vapor, del cual se aprovecha su energía

térmica contenida, en diferentes procesos industriales. Este vapor se genera a

través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido,

originalmente en estado líquido cambia de estado . Este tipo de calderas soy muy

utilizadas ya que trabajan a altas presiones y tienen gran capacidad de

generación.

La caldera acuotubular trabaja con el principio de circulación de agua. El agua

de alimentación fría se introduce en el calderin de vapor (domo superior) y baja

por el tubo de bajada hasta el calderin de lodos (domo inferior), debido a que

tiene una densidad superior a la del agua caliente. Su densidad disminuye

cuando pasa por el tubo de subida, donde se calienta formando burbujas de

vapor. El agua caliente y las burbujas de vapor pasan al calderin de vapor una

vez más, donde el vapor se separa del agua.5

Figura 1: Configuración de una caldera Acuotubular

Las calderas acuotubulares pueden clasificarse en calderas de tubos rectos y

calderas de tubos curvos; es el doblado tal para que los tubos entren radialmente

en el domo. Este tipo de calderas pueden proyectarse para quemar cualquier

clase de combustibles, carbón en diversos tipos de parrillas, aceites, gas y

bagazo.

5 CALDERAS ACUOTUBULARES en , http://www.spiraxsarco.com/ar/pdfs/training/gcm_04.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina

http://es.wikipedia.org/wiki/Vapor_(estado)

http://es.wikipedia.org/wiki/Transferencia_de_calor

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido

http://es.wikipedia.org/wiki/Estados_de_la_materia




17

Los diferentes modelos de calderas de tubos curvados, tienen mejores

características de presión y temperatura, han ido desplazando gradualmente a la

caldera de tubos rectos en los servicios de alto rendimiento, de manera que en la

actualidad este tipo de caldera se ha generalizado en la industria productora de

fuerza.

La caldera de tubos curvados ofrece frente a los tubos rectos, muchas ventajas,

entre las que se destacan las siguientes:

Mayor economía en su fabricación y operación, debido al uso de

soldadura, aceros mejorados, construcción de paredes de agua y nuevas

técnicas de fabricación.

Mejor acceso para inspección, limpieza y servicios de mantenimiento.

Trabaja con mayor capacidad de evaporación y entrega de vapor más

seco.

Los elementos primordiales de que se compone la caldera acuotubular con tubos

curvados, están formados esencialmente por domos y cabezales, interconectados

por medio de tubos curvados. Está dotada de un horno refrigerado por el agua

que circula por dentro de los tubos que conforman las paredes

La caldera acuotubular de tubos curvados se puede adaptar para su operación

con aceites combustibles, gas, carbón, leña o bagazo.

Figura 2: Esquema general de una caldera acuotubular que quema bagazo




18

2.3.1.2. Accesorios de una caldera acuotubular que quema bagazo

2.3.1.2.1. Hogar

Un hogar es una cámara donde se efectúa la combustión. La cámara confina el

producto de la combustión y puede resistir las altas temperaturas que se

presentan y las presiones que se utilizan. Sus dimensiones y geometría se

adaptan a la velocidad de liberación del calor, el tipo de combustible y al método

de combustión, de tal manera que se haga lo posible por tener una combustión

completa y se proporcione un medio apropiado para eliminar la ceniza.

Los hornos difieren en tamaño y forma, en la localización y esparcimiento de los

quemadores, en la disposición de la superficie absorbente del calor y de la

distribución de los arcos y tolvas. La forma de la llama y su longitud afectan la

geometría de la radiación, la velocidad y distribución de absorción del calor

Figura 3: Cámara de combustión (hogar) y chimenea de una caldera

2.3.1.2.2. Ventiladores

El tiro creado por la acción de inyectores de aire vapor o mediante ventiladores

centrífugos se conoce como tiro mecánico, el cual se requiere cuando deba

mantenerse un determinado tiro con independencia de las condiciones

atmosféricas y del régimen de funcionamiento de la caldera

a. Ventilador de tiro forzado

El tiro forzado se obtiene soplando aire en el interior de los hogares herméticos

bajo las parrillas y hogares mecánicos, o a través de quemadores de carbón

pulverizado. Podemos decir que la finalidad del ventilador de tiro forzado es

proporcionar el aire necesario para la combustión.

HOGAR




19

El aire del tiro forzado es el que pasa a través del calentador de tubos,

aprovechando los gases de combustión que se dirigen a la chimenea. El hecho de

que se precaliente el aire ayuda notablemente a realizar una buena combustión.

b. Ventiladores de tiro inducido

El tiro inducido se consigue con un ventilador de chorro o con un ventilador

centrifugo colocado en los humerales, entre las calderas y las chimeneas, o en la

base de esta. El efecto de tiro inducido consiste en reducir la presión de los gases

por debajo de la presión atmosférica y descargar los gases a la chimenea con una

presión positiva.

2.3.1.2.3. Sopladores de hollín

Los sopladores de hollín normalmente se utilizan para evitar la acumulación de

depósitos que obstruyen el paso de los gases; además ayudan a mantener limpias

las superficies exteriores de los tubos que componen la caldera, aumentando así

la transferencia de calor desde los gases provenientes de la combustión.

Los sistemas de sopladores de hollín se utilizan para mantener la eficiencia de la

caldera y su capacidad por medio de la eliminación periódica de la ceniza y la

escoria que se adhiere a las superficies que, así, pueden absorber calor. Por

medio de corrientes violentas de vapor o aire que se producen en las boquillas

del soplador de hollín, se desprende la ceniza seca que se adhiere a la pared así

como la escoria, que entonces, caen dentro de un silo o viajan con el resto de los

gases de combustión hacia el equipo de purificación o al lavador de gases

(scrubber).

Básicamente un soplador de hollín es un tubo perforado en el cual sale el vapor,

generalmente saturado (por su volumen especifico) que rota de acuerdo a la

conveniencia del diseñador, puede ser a (90º, 120º, 140º, etc.).

2.3.1.3. Tipos De Combustibles En Una Caldera Acuotubular

Se denominará combustible a toda aquella sustancia que por su composición

haga posible la combustión de la misma, verificándose un desprendimiento de

energía. En la práctica la totalidad de los combustibles usados hoy en día

industrialmente son del tipo orgánico, donde el Carbono e Hidrógeno son los

elementos predominantes en su composición.

Los combustibles se clasifican en función del estado físico que presentan

habitualmente (gaseoso, solido, líquido). La razón de esta clasificación se debe

a que las técnicas y equipos a utilizar en la combustión dependerán del estado

físico del combustible.




20

2.3.1.3.1. Carbón mineral

Es un término genérico que se utiliza para designar a un grupo de minerales

sólidos de origen vegetal con elevado contenido de carbono, en cuya

composición química se encuentra este elemento químico en proporciones

variables.

Figura 4 : Carbón mineral.

El carbón mineral se clasifica según su contenido de carbono, por el grado de

transformación que han experimentado en su proceso y por el uso al que se

adaptan. La escala más recomendada establece cuatro clases:

Antracita: Carbón duro que tiene el mayor contenido de carbono fijo y el

menor en materia volátil de los cuatro tipos. Contiene aproximadamente

un 87.1 % de carbono, un 9.3 % de cenizas y un 3.6 % de material

volátil. Tiene un color negro brillante de estructura cristalina. Se utiliza

sobre todo como combustible y como fuente de carbono industrial.

Aunque se inflama con más diferencia que otros carbones, libera una

gran cantidad de energía al quemarse y desprende poco humo y hollín.

Hulla: Combustible fósil con una riqueza entre 75 y 90 % y un contenido

en volátiles que oscila entre 20 y 35 %. Es negra, mate y arde con

dificultad con una llama amarillenta. Se diferencia del lignito, por su

mayor poder calorífico (entre 30 y 36 MJ/Kg.)

Turba: Material orgánico compacto, de color pardo amarillento a negro.

Se produce así una carbonificación lenta, en la que la turba es la primera

etapa de la transformación del tejido vegetal en carbón. El contenido en

carbono aumenta del 40% en el material vegetal original, al 60% en la

turba. Tiene un poder calorífico inferior a 8.4 MJ/Kg.

Lignito: Variedad del carbón de calidad intermedia entre el carbón de

turba y el bituminoso. Suele tener color negro pardo y estructura fibrosa

o leñosa. Tiene capacidad calorífica inferior 17,200 KJ/Kg. a la del

carbón común debido al contenido en agua (43.4%) y bajo de carbono

(37.8%). El alto contenido de materia volátil (18.8%) provoca la

desintegración del lignito expuesto al aire.

El término bituminoso se refiere al grado de poder calorífico que tiene el carbón.

Los carbones subituminosos, llamados de flama larga por la forma en que se

http://www.ecured.cu/index.php/Carbono




21

realiza la combustión, no se pueden transformar en coque y se utilizan en las

centrales carbo eléctricas.

Los carbones bituminosos son coquizables, es decir, que mediante un proceso de

destilación se elimina la materia volátil del carbón, quedando un carbón de muy

buena calidad que se denomina coque y que es de gran utilidad en la industria

siderúrgica (producción de hierro y acero, este último es precisamente una

aleación de hierro y carbono) y metalúrgica.

Combustión del carbón mineral

La combustión de carbón mineral; al igual que cualquier otro combustible fósil,

produce dióxido de carbono (CO2) y óxidos de nitrógeno (NOx), junto con

distintas cantidades de dióxido de azufre (SO2 ), en función de donde se extrae.

El dióxido de sulfuro reacciona con oxígeno al trióxido del sulfuro de la forma

(SO3), que entonces reacciona con agua al ácido sulfúrico de la forma (H2SO4).

El ácido sulfúrico se vuelve a la tierra como lluvia ácida.

2.3.1.3.2. Bagazo de caña de Azúcar

El Bagazo final, o simplemente el bagazo, es el material sólido, fibroso, que sale

de la abertura trasera del último de los molinos de la batería, después de la

extracción del jugo. Dependiendo de muchas variables tales como el número del

corte, edad, cantidad de materia extraña vegetal, tipo de extracción, etc., se

puede obtener alrededor de 250 kg de bagazo por tonelada de caña de azúcar

molida.6

Los elementos combustibles del bagazo son el carbono e hidrogeno. Para

obtener una combustión completa, sin dejar material no quemado y para que

todo el carbono se convierta en CO2 es necesario proporcionar cierto exceso de

aire

Figura 5 Bagazo caña de azúcar

6 TECNICAÑA, Aprovechamiento del residuo para quema y producción de vapor, pág., 22 , disponible en

(Mott)

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3geno

http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre

http://es.wikipedia.org/wiki/Azufre




22

Ese material se utilizó siempre como fuente de energía para mover las fábricas

azucareras y las destilerías de alcohol debido a su poder calorífico, convirtiendo

tales unidades como autosuficientes para la generación de vapor.

Composición Física del Bagazo

A pesar de la de la diversidad de las plantas de molienda y de las maquinas

empleadas para ella, la composición química del bagazo varía entre limites

bastantes estrechos. Su propiedad más importante, desde el punto de vista de la

producción de vapor, es su humedad. Cuando el trabajo de los molinos es

deficiente, el contenido de humedad del bagazo será de aproximadamente del

50%, mientras que con un buen trabajo su contenido será del 45%.Además del

agua, el bagazo contiene:

Material insoluble, principalmente celulosa, y que constituye la fibra del bagazo,

sustancias en solución en el agua (evidentemente agua del jugo) consistentes en

azúcar e impurezas. Estas sustancias en solución se presentan en pequeñas

cantidades que van del 2 al 5%

Composición Química

La composición química del bagazo seco, varía ligeramente, de acuerdo con

diferentes autores:

N. Deerr. Hugot.

HIDROGENO 46.5% HIDROGENO 47%

CARBONO 6.5% CARBONO 6.5%

OXIGENO 46% OXIGENO 44%

CENIZAS 1% CENIZAS 2.5%

Tabla 1 Composición química del bagazo seco

2.3.2. Generalidades sobre la combustión

La contaminación del ambiente es uno de los problemas más graves que enfrenta

nuestra humanidad, entre los varios tipos de contaminación del ambiente se

encuentra la contaminación del agua, aire, suelos y el ruido. Como se puede

percibir, la contaminación del ambiente afecta la salud, calidad de vida,

economía y por ende, nuestro futuro; en este caso, la contaminación del aire es

causada por las emisiones de gases tóxicos generados en los procesos de

combustión incompleta y en combustión completa pero en menor porcentaje.

2.3.2.1. Combustión

La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se

libera controladamente parte de la energía interna del combustible. Una parte de




23

esa energía se va a manifestar en forma de calor y es la que a nosotros nos

interesa.

Se trata de una reacción de oxidación con la particularidad de que se realiza muy

rápidamente, es exotérmica. Esta reacción se produce entre los elementos

combustibles de un combustible y el oxígeno del comburente. Para que un

combustible sufra la combustión, es necesario que alcance su temperatura de

ignición. Se define el punto de ignición de un combustible como la temperatura

a la cual, una vez iniciada la llama, está ya no se extingue. Es esta temperatura

de 20 a 60ºC más alta que la temperatura de inflamación.

En una reacción de oxidación tendremos

Primer Miembro Segundo Miembro

Combustible + comburente Gases de combustión + calor

Tabla 2 Reacción de Oxidación

Combustible: Toda sustancia capaz de arder

Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible

sufra oxidación

2.3.2.2. Clases de reacciones de combustión

Las reacciones se pueden clasificar según el modo en el cual transcurran de la

siguiente manera:

A. Combustión NEUTRA o estequiométrica

B. Combustión INCOMPLETA o imperfecta

C. Combustión COMPLETA

A. Combustión neutra

Es aquélla que se produce cuando el aire empleado aporta la cantidad justa de

oxígeno para que todos los reactivos se transformen en productos. Para que la

estequiometria se cumpla, hay que considerar todos los elementos que sufren la

reacción de combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar

totalmente, entonces no habrá H, O, S y C, que se transformarán en productos

correspondientes que irán en los gases de combustión. Como inertes aparecerá,

por lo menos, el nitrógeno.

A veces, a los gases de combustión se les llama poder comburívoro o poder

fumígeno. Se define éste como los gases húmedos totales procedentes de una

combustión neutra o estequiométrica (de todos los elementos combustibles e

inertes también)




24

B. Combustión incompleta

Es aquélla en la que por defecto en el suministro de aire no hay oxígeno

necesario para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir

que no todo el carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto

de combustión de CO. Aparecen entonces los inquemados. Los inquemados

también se pueden producir por defecto en el aparato quemador.

Los inquemados se definen como la materia combustible que ha quedado sin

quemar o parcialmente quemada. Pueden ser de dos clases:

Sólidos: Carbono (hollín). Provocan un ennegrecimiento de los humos de

combustión

Gaseosos: CO, H2

Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el

combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala y se

deberían tomar medidas de algún tipo para mejorarla.

C. Combustión completa

Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un

exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad

estequiométricamente necesaria para que todos los productos combustibles

sufran la oxidación (tanto el C como el O ó el H). En este caso no se van a

producir inquemados. En la práctica se hace difícil conseguir la combustión

completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se

define como la cantidad de aire por encima del teórico que hay que aportar para

que se realice la combustión completa del combustible.

2.3.3. Generalidades sobre contaminantes en calderas que queman bagazo

2.3.3.1. Gases de combustión

Los gases de escape generados en los procesos de combustión se denominan

gases de combustión. Su composición depende del tipo de combustible y de las

condiciones de combustión, Ej. El valor del coeficiente de exceso de aire.

Muchos de los componentes de los gases de combustión son contaminantes del

aire y por tanto deben eliminarse de los gases de combustión con procedimientos

especiales de limpieza muchos de los cuales son lentos y costosos, antes de

liberar el gas a la atmósfera conforme a la normativa legal. Los gases de

combustión en su estado original se conocen como gases brutos y como gas

limpio una vez que han pasado por las fases de limpieza. A continuación se

explican los principales componentes de los gases de combustión.




25

2.3.3.2. Componentes de los gases de combustión

El combustible está compuesto básicamente por carbono (C) e hidrógeno (H2).

Cuando estas sustancias se queman con aire, se consume oxígeno (O2). Este

proceso se llama oxidación. Los elementos de la combustión del aire y del

combustible forman nuevos enlaces formándose nuevos compuestos.

Figura 6 Composición De Los Gases De Combustión

2.3.3.3. Contaminantes en la chimenea de una caldera que quema

bagazo

Los gases de escape que se obtienen en las calderas, contienen una variedad de

subproductos, algunos de los cuales se considera contaminantes del ambiente.

Dependiendo del combustible utilizado, así será él peligro que causen estos

gases, pues algunos son considerados tóxicos.

Algunos contaminantes están relacionados con la composición del combustible,

mientras otros dependen de las características del proceso de la quema del

combustible y son sensibles al diseño y variables de la operación de los sistemas

de combustión.

Los principales contaminantes que se encuentran en los gases de combustión de

las calderas acuotubulares quemando bagazo de caña y/o carbón son:

a. Partículas de material: Son partículas de ceniza, arena y bagazo no quemado

de la combustión, que tiene características sólidas que arrastran los gases de

escape. El tamaño de estas partículas puede variar en diámetros desde

menores a una micra hasta un diámetro milimétrico. Cuando las partículas

son más grandes que las mencionadas anteriormente no llegan muy lejos en

la atmósfera y fácilmente caen a tierra, cerca de la fuente de combustión. Las

partículas pequeñas, que forman la mayor parte del material, pueden

permanecer en la atmósfera por largos periodos de tiempo y contribuyen a




26

formar una especie de neblina o bruma que a larga distancia obstruyen la

visibilidad.

La composición y cantidad de las partículas generadas en las calderas, se ven

afectadas por varios factores que comprenden el tipo de combustible en uso,

que en este caso es el bagazo y/o carbón y en el modo de operación de la

caldera y las características de la combustión en el horno.

b. Oxido de nitrógeno (NOX): A altas temperaturas (combustión), el nitrógeno

(N2) presente en el combustible y en el aire ambiente se combina con el

oxígeno del aire (O2) y forma el monóxido de nitrógeno (NO). Después de

algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinación con el oxígeno (O2)

para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 es soluble en agua, tóxico si

se respira (produce daños irreversibles en el pulmón). El NO y NO2 en

conjunto se llama óxidos de nitrógeno (NOX).La formación de “oxido de

nitrógeno del combustible” no tiene una explicación muy clara; existen

evidencias que este oxido puede reducirse al disminuir la cantidad de

oxigeno en la llama.

c. Monóxido de carbono (CO): El monóxido de carbono es un producto de una

combustión incompleta y su concentración en los gases de salida de la

caldera dependen de las condiciones de operación de la misma. Las

mediciones de CO en los gases de chimenea se utilizan a menudo como un

indicador de una combustión pobre. El CO es un gas invisible, inodoro y sin

sabor.

d. Nitrógeno (N2): El nitrógeno (N2) es el principal componente (79% en vol.)

del aire que respiramos. Este gas incoloro, inodoro y sin sabor no interviene

en la combustión. Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la

chimenea.

e. Dióxido de carbono (CO2): El dióxido de carbono es un gas incoloro e

inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo la influencia de la luz solar y el

verde de las hojas, la clorofila, las plantas convierten el dióxido de carbono

(CO2) en oxígeno (O2). La respiración humana y animal convierte el oxígeno

(O2) otra vez en dióxido de carbono (CO2). Esto crea un equilibrio que los

productos gaseosos de la combustión distorsionan.

f. Vapor de agua (humedad): El hidrógeno contenido en el combustible se

combina con el oxígeno para formar agua (H2O). Este agua sale del

combustible y del aire combustionado, dependiendo de la temperatura de los

gases de combustión (TGC), en forma de humedad del gas de combustión (a

una TGC elevada) o como condensado (a una baja TGC).

g. Oxígeno (O2): El oxígeno restante no utilizado en la combustión en el caso

de utilizar aire en exceso aparece como componente de los gases de

combustión y se utiliza para medir el rendimiento de la combustión. Se




27

utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y el contenido de dióxido

de carbono.

h. Dióxido de azufre (SO2): El dióxido de azufre (SO2) es un gas tóxico

incoloro con un olor fuerte. Se forma a partir del azufre del combustible. El

ácido sulfúrico (H2SO4) se forma en combinación con agua (H2O) o

condensados.

2.3.4. Separador de contaminantes (scrubber).

En la quema de bagazo de caña y/o carbón en la caldera acuotubular Nº12 de la

Empresa Agroindustrial Casa Grande S.A.A, los sólidos residuales son

arrastrados por los gases de combustión, requiriendo la instalación de sistemas

de limpieza antes o después de las chimeneas para poder separar los

contaminantes, utilizando la separación vía húmeda con los lavadores de gases o

scrubber.

2.3.4.1. Tratamiento de contaminantes con agua

La aplicación de agua como medio de separación de las partículas de material

sólidas contenidas en los gases de escape de las calderas de vapor, se utiliza

haciendo pasar el agua a través de boquillas especiales diseñadas para formar

spray, logrando así que las pequeñas gotas de líquido hagan contacto con dichas

partículas aumentando su peso y por consiguiente caigan al fondo del separador.

Para lograr la separación de estos gases y residuos en el interior del scrubber se

utiliza el proceso de absorción, el cual basa su funcionamiento en el hecho de

que los gases residuales están compuestos de mezclas de sustancias en fase

gaseosa, algunas de las cuales son solubles en fase líquida. En el proceso de

absorción de un gas, el efluente gaseoso que contiene el contaminante a eliminar

se pone en contacto con un líquido en el que el contaminante se disuelve. La

transferencia de materia se realiza por el contacto del gas con el líquido.

Figura 7 : Absorción de partículas de material




28

2.3.4.2. Lavador de gas

Un lavador de gases tipo húmedo es un dispositivo de control de la

contaminación del aire que remueve partículas de material y gases ácidos de las

corrientes de gases residuales de fuentes fijas. Los contaminantes son removidos

principalmente a través del impacto, difusión, intercepción y/o absorción del

contaminante sobre pequeñas gotas de líquido. La absorción de un gas por un

líquido depende que se logre un íntimo contacto entre el gas y líquido. Para

lograr tal contacto, se debe maximizar las superficies de exposición del gas y/o

del líquido. Conceptualmente esto se lleva a cabo rompiendo el líquido en finas

gotas que serán dispersadas a través del volumen de gas en todo su recorrido a

través del scrubber. El líquido conteniendo al contaminante, es a su vez

recolectado para su disposición.

Hay numerosos tipos de lavadores de gas húmedos las cuales remueven tanto el

gas ácido como partículas de material.

Mientras que un ciclón remueve partículas entre 10 y 50 micras, una torre

lavadora puede remover partículas entre 0.2 y 10 micras.

Los lavadores de gas tipo húmedos son particularmente útiles en la remoción de

partículas de material con las siguientes características:

Material pegajoso y/o higroscópico (materiales que absorben agua

fácilmente).

Partículas que son difíciles de remover en su forma seca;

Partículas de material en presencia de gases solubles; y

Partículas de material en la corriente de gases residuales con alto

contenido de humedad.

Los lavadores de gas tipo húmedo tienen numerosas aplicaciones industriales

incluyendo calderas industriales, incineradores, procesadores de metales,

producción de sustancias químicas, producción de asfalto y producción de

fertilizantes.

Los análisis teóricos de los mecanismos de remoción de partículas en una torre

lavadora no han sido tan profundos como en los casos de ciclones, filtros de tela,

y precipitadores electrostáticos. La selección y diseño de una torre lavadora se

basan generalmente en ensayos para el caso específico en consideración. Hay

que tener en cuenta que mientras las partículas de polvo sean más pequeñas, la

remoción es más fácil, y la caída de presión más alta. Como conclusión se puede

decir que ha mayor eficiencia de remoción mayor será la caída de presión.

El lavador de gases residuales tipo húmedo es diseñado con la finalidad de

condensar los gases residuales dándoles otro destino y así reducir la

contaminación del aire, contribuyendo a la reducción del impacto ambiental.




29

2.3.4.3. Tipos de lavadores de gases

Existen 5 tipos de torres clasificadas de acuerdo a su utilidad y eficiencia de

colección (que van del 80 al 99 por ciento). Además el material de construcción

de estas, debe ser resistente a la corrosión y a la abrasión, debido a la presencia

de gases como SO2.

La principal ventaja de las torres lavadoras es la eficiencia de colección para

rangos muy amplios de partículas, así como las principales desventajas son, la

presencia de erosión y corrosión, y la dificultad para la disposición de lodos.

2.3.4.3.1. Torre Rociadora

Este tipo de torre lavadora es generalmente vertical y de sección circular. El

líquido lavador cae por gravedad, mientras que el gas contaminado fluye de

abajo hacia arriba. El gas libre de partículas contaminantes sale por la parte

superior de la torre. Con el fin de aumentar la posibilidad de contacto del líquido

lavador con las partículas contaminantes, se acostumbra colocar algunos bafles

perpendiculares al flujo.

Las partículas más grandes generalmente quedan removidas al hacer contacto

con el agua que se encuentra en la base de la torre. Este tipo de torre lavadora es

usado casi únicamente como tratamiento primario, para disminuir la temperatura

de los gases o remover partículas ente 5 y 10 micras.

CARACTERISTICAS DE LA TORRE ROCIADORA

Capacidad máxima

Velocidad de los gases

Concentración de

partículas

Tamaño de partículas

captadas

Caída de presión

Consumo de agua

Eficiencia aproximada

Tabla 3: Características de una torre rociadora

2.3.4.3.2. Torre de lecho empacado

En una torre de lecho empacado, el líquido lavador también fluye hacia abajo,

mientras que la corriente gaseosa va hacia arriba abriéndose paso a través de un

lecho ya sea de plástico, cerámica, ,madera etc. La forma de material que

conforma este medio puede ser esférica o muy irregular.

El principal objetivo de un lecho es una torre lavadora es aumentar el contacto

gas−líquido de un lavador, siendo mucho mejor, aquel lecho que proporciona el

máximo de contacto con la misma caída de presión.




30

Las características de una torre lavadora en especial la caída de presión,

dependerá del tamaño del lecho y la relación líquido lavador−gas. Las torres de

lecho empacado se utilizan mucho para enfriamiento y absorción de gas pero

remueven partículas cuando están en concentración baja. Si la concentración de

partículas es alta se recomienda colocar como lecho esferas lívidas entre dos

parrillas, y que esas se puedan mover libremente bajo la corriente de gas y

liquido lavador, evitando así atascamiento del lecho.

CARACTERISTICAS DE LA TORRE LECHO EMPACADO

Capacidad máxima


Concentración de

partículas


captadas

Caída de presión

Consumo de agua


Tabla 4: Características de una torre lecho empacado

2.3.4.3.3. Torre de lecho flotante

La torre lavadora de lecho flotante es similar a la de lecho empacado solo que

estas tiene varias capas de esferas u otros materiales granular de muy baja

densidad el cual flota cundo la corriente del gas contaminado pasa a través del

lecho, de abajo hacia arriba. Como en los casos anteriores, el líquido lavador es

distribuido desde la parte superior de la torre.

CARACTERISTICAS DE LA TORRE LECHO FLOTANTE


captadas

Caída de presión

manométrica.

Eficiencia

Tabla 5 : Características de una torre lecho flotante

2.3.4.3.4. Torre lavadora centrifuga

Esta torre lavadora tiene un principio similar al de un ciclón. El agua entra tan

tangencialmente por la parte inferior y asciende en forma de vértice. Varios

chorros de líquido lavador, también dirigidos en forma tangencial ayudan a

aglomerar y propiciar el choque de este con las partículas.

El sistema puede ser utilizado para absorber gases solubles como He NH3 y

neutralizar SO2, H2S y otros sulfuros orgánicos, utilizando una solución alcalina

que se puede recircular.




31

CARACTERISTICAS DE LA TORRE LAVADORA CENTRIFUGA

Capacidad máxima


Concentración de

partículas


captadas

Caída de presión

Consumo de agua


Diámetro de la torre

Altura de la torre

Tabla 6: Características de una torre centrifuga

2.3.4.3.5. Torre lavadora tipo Venturi

Una torre lavadora de tipo ventura se considera como de alta capacidad de

colección de partículas existiendo diversidad de diseños desarrollados

últimamente.

En una torre lavadora de tipo Venturi, el gas contaminado entra a una ventura en

donde choca con el líquido lavador. En el cuello húmedo, a medida que los gases

pasan por un orificio anular, se adquieren velocidades entre 3600 y 6000 m/min.

(12000 a 20000 pies/min.)

Debido a estas altas velocidades el líquido se pulveriza formando infinidad de

gotas pequeñas. La gran diferencia entre la velocidad de la corriente gaseosa y la

de las gotas finalmente divididas, aumenta la posibilidad de contacto

partícula−gota de agua. A medida que el gas abandona la sección ventura y se

desacelera, también hay impacto entre las partículas y las gotas de agua luego el

conglomerado es removido centrífugamente en la sección sincrónica.

La caída de presión en una torre lavadora de tipo ventura en alta, y aumenta a

medida que se incrementa la velocidad de gas.

La torre lavadora de tipo ventura tiene una aplicación casi exclusivamente para

la remoción de partículas submicrónicas, generalmente con caídas de presión

entre 10 y 60 pulgadas de agua.

CARACTERISTICAS DE LA TORRE LAVADORA TIPO VENTURI

Capacidad máxima


Concentración de

partículas


captadas

Caída de presión

Consumo de agua


Tabla 7: Características de una torre tipo Venturi




32

2.3.4.4. Ventajas y desventajas de las torres lavadoras

Ventajas

Eficiencias de colección altas para rangos muy amplios de partículas.

se puede remover partículas y gases simultáneamente.

Mantenimiento simple por la sencillez de la operación.

Se pueden remover gases corrosivos.

Desventajas

Se logra una mayor eficiencia a expensas de una caída de presión alta

Se produce aglomeración o encostramiento en el interior del equipo.

Se presenta erosión y corrosión.

Se produce vapor de agua que le da un aspecto blancuzco a la pluma, lo

que hace creer que la pluma esta mas contaminada.

La disposición de lodos es complicada.

2.3.5. Generalidades sobre equipos y componentes que integran el

sistema.

2.3.5.1. Diseño de columnas7 (soportes del scrubber)

Una columna es un miembro estructural que soporta carga axial de compresión,

y que tiende a fallar por inestabilidad elástica o pandeo, más que por

aplastamiento de material. La inestabilidad elástica es la condición de falla

donde la forma de una columna no tiene rigidez necesaria para mantenerla

erguida bajo carga.

La tendencia de una columna a pandearse depende de la forma y las

dimensiones de su sección transversal, también de su longitud y de la forma de

fijarla a los miembros de apoyo adyacentes. Las propiedades importantes de la

sección son:

El área de sección transversal

El momento de inercia I, de la sección transversal

El valor mínimo del radio de giro.

FIJACION DE EXTREMO

Este término se refiere a la forma en que se soporta los extremos de una

columna. La variable más importante es la cantidad de restricciones a la

tendencia de rotación que existe en los extremos de la misma. Las conexiones en

los extremos se muestran en la siguiente figura: 7 Robert Mott. Diseño de elementos de maquinas,4ta Edición, Editorial PARSON , pág. 234




33

Figura 8: Valores de K para obtener la longitud efectiva

La forma de soportar ambos extremos afecta la longitud efectiva de la columna,

que se define como sigue

Donde:

De aquí se desprende varios parámetros como es la relación de esbeltez que es el

cociente de la longitud efectiva de la columna entre su radio de giro mínimo.

ANALISIS DE COLUMNAS

Existen dos métodos para el análisis de columnas:

1. La formula de Euler para columnas largas y esbeltas

2. La formula de J.B. Johnson para columnas cortas.

La elección del método apropiado depende del valor de la relación de esbeltez real de la

columna que se analiza , comparado con la relación de esbeltez de transición o

constante de columna Cc , que se define como:




34

Donde:

Si la relación de esbeltez real es mayor que Cc, la columna es larga y se debe

emplear la ecuación de Euler.

Si la relación de esbeltez real es menor que Cc, la columna es corta y se debe

emplear la formula de J.B. Johnson para columnas cortas.

Columnas largas: Formula de Euler

Consiste en calcular la carga crítica Pr, para la cual la columna comenzara a

pandearse.

Donde:

Columnas cortas: Formula de J.B.Johnson

Para este caso la carga critica Pr esta dada por:

En resumen, el objeto del diseño y análisis de las columnas es garantizar que la

carga aplicada a una columna sea segura y que sea bastante menor a la carga

critica de pandeo.

COLUMNAS CON CARGA EXCÉNTRICA

Una carga excéntrica es aquella que se aplica fuera del eje centroidal de la

sección transversal de la columna. Esta carga ejerce flexión, además de la acción

de la columna (pandeo). El esfuerzo máximo esta en las fibras más alejadas de la

sección transversal, a la mitad de la columna que es donde existe la mayor

deflexión Ymax, se representa como y se calcula con la ecuación.




35

Donde: P: Carga aplicada sobre la columna

A: Área de la sección transversal

e: Excentricidad

c: Distancia del eje neutro de la sección transversal hasta su orilla

exterior

K: Constante que depende del extremo fijo

L: Longitud real de la columna

r: Radio de giro.

Para fines de diseño se debe especificar un factor de seguridad N, y se calcula la

resistencia estimada de la columna con la ecuación:

Si este resultado es menor que el limite de resistencia a la fluencia Sy de

la columna, las dimensiones de la sección transversal de la columna son

satisfactorias

2.3.5.2. Sistema eléctrico

El sistema eléctrico de nuestro diseño lo viene constituyendo el motor eléctrico

que accionara el ventilador, y la bomba de agua, así como también los

conductores que alimentaran de energía a los motores. El diseño o la selección

del sistema eléctrico es proveer energía aún en las peores condiciones de

operación del scrubber. Los elementos actuando son tales como motor eléctrico,

cables (calidad y resistencia),

A. Selección del motor eléctrico

Para la selección del motor es necesario considerar algunos factores,

principalmente tenemos que tener en cuenta lo siguiente:

Tipo de motor: Según la energía de la corriente alterna, los motores

pueden ser monofásicos o trifásicos. La corriente trifásica circula en un

sistema de tres conductores, las grandes industrias y en especial las

maquinas usan corriente trifásica ya que los motores son mas pequeños (con

la misma potencia que un monofásico que es mas grande) y la operación es

mas económica.




36

Voltaje y la frecuencia de operación: Un motor de corriente alterna sin

carga tiende a funcionar con o cerca de su velocidad síncrona , la cual

se relaciona con la frecuencia f, de la corriente alterna y con el número

de polos eléctricos p, que se devanan del motor

Donde:

: numero de pares de polo.

Los motores tienen un número de par de polos, en general de 2 a 12, con

sus respectivas velocidades síncronas. Pero los motores de inducción, que

son los que más se usa, funcionan aproximadamente al 95% de la

velocidad síncrona, a medida que la demanda de carga aumenta.

Los motores trifásicos de inducción también conocidos como jaula de

ardilla que se usan con más frecuencia son conocidos como diseños B, C

y D de acuerdo con la National Electric Manufactures Association

(NEMA). Su diferencia principal es el valor del par torsional

El diseño de 4 polos, con velocidades síncronas de 1800 rpm, es el más

común y se consigue casi con todas las potencias.

Potencia y velocidades nominales: En cortas palabras, un motor eléctrico

es una maquina que transforma potencia eléctrica tomada de la red de

potencia en potencia mecánica en el eje. La potencia eléctrica obedece a

la siguiente relación:

Donde: P: Potencia en KW

V: Voltaje o tensión en voltios

I: Corriente en Amperios

: Factor de potencia

Toda maquina consume mas potencia de la que entrega, por lo que es

importante considerar el termino de eficiencia. La potencia que el motor

consume y no convierte en potencia de salida son perdidas. La Eficiencia

o rendimiento es un valor proporcionado por lo fabricantes. De esta

manera la potencia requerida queda como:




37

Donde: P: Potencia considerando el rendimiento del motor [KW]

Clase de servicio: Según la normativa para maquinas eléctricas, se

distingue las tres formas de trabajo siguientes:

Servicio permanente o continuo

Servicio de corta duración

Servicio intermitente.

Según el tipo de servicio se debe seleccionar un factor de seguridad para

descartar cualquier avería por calentamiento exagerado o por los

continuos arranques que se requiera. Este factor es tabulado por lo

fabricantes de motores eléctricos. Entonces, considerando este factor, la

potencia requerida es:

Donde: FS: Factor de seguridad tabulado por los fabricantes de

M.E

B. Selección de los conductores eléctricos

Se aplica este concepto a los cuerpos capaces de conducir o transmitir la

electricidad; está formado primeramente por el conductor propiamente tal,

usualmente de cobre. El cobre constituye el elemento principal en la fabricación

de conductores por sus notables ventajas mecánicas (resistencia al desgastes,

maleabilidad) y eléctricas (capacidad de transportar la electricidad). La

seguridad y la opresión está relacionada con la calidad, la integridad y

características del aislante; la integridad del aislante depende de la corriente que

circula por el conductor y la sección del conductor. Conocida la potencia del

motor se determinada la sección nominal del conductor.




38

Donde:

La corriente de diseño del alimentador debe ser 25% mayor que la de la

corriente nominal según CNE8, por tanto:

Donde:

De trabajar en condiciones donde la temperatura es alta, se debe considerar su

efecto sobre los conductores eléctricos.

2.3.5.3. Selección de tuberías

Tubería de agua de enfriamiento.

El agua para el lavado de los gases es provista por un tanque de almacenamiento

de agua e impulsada por una bomba, la selección de las tuberías de circulación

del agua será calculada dependiendo de las características de operación que se

requiera en el scrubber para condensar los gases de combustión de la caldera.

Tuberías de conducción

Es un sistema de extracción localizada por donde se transporta el flujo de gases

y partículas que han sido extraídas del hogar de la caldera hacia el scrubber,

también tenemos el ducto de descarga desde el scrubber hacia el desagüe;

además tienen ruta definida. Pueden ser ductos circulares, ductos rectángulos y

ductos cuadrados, por lo que destaca los ductos circulares, permitiendo una

distribución más uniforme de la velocidad, lo cual impide el depósito del

material.

Dependiendo de los requerimientos tanto de los gases de combustión como de la

mezcla de los gases con el agua de enfriamiento que ira al desagüe. Se

seleccionara los ductos de trasporte de estos flujos. En la siguiente figura se

muestra los tipos mas conocidos de ductos.

8 CNE: CODIGO NACIONAL ELECTRICO




39

Figura 9: Diferentes tipos de ductos

2.3.5.4. Toberas

Una tobera de rociada o boquilla pulverizadora es un dispositivo empleado para

dividir un líquido en pequeñas gotas; y es esta característica la que usaremos

para el diseño de nuestro condensador de gases. Las aplicaciones de estas

toberas son numerosas y variadas, y en consecuencia, se emplean un gran

número de modelos. Se pueden clasificar en los siguientes tipos.

Tobera de presión

Tobera giratoria o rotativa

Tobera atomizadora por gas

2.3.5.5. Selección de los equipos mecánicos

La selección de los elementos mecánicos que influyen en el buen

funcionamiento del condensador de gases se realiza en función a lo requerido.

Dentro de los elementos mecánicos que vamos a seleccionar se encuentra un

ventilador de tiro inducido que cuya función se encarga de extraer los gases de

combustión de la caldera acuotubular hacia la entrada de scrubber; otro elemento

viene a ser la bomba de agua de enfriamiento que se encargara proveer el caudal

necesario para cubrir los requerimientos del condensador de gases.




40

A. Ventiladores

Los ventiladores son las máquinas más usadas para producir el movimiento del

aire (en este caso gases de combustión) en la industria. Su funcionamiento se

basa en la entrega de energía mecánica al aire a través de un rotor que gira a alta

velocidad y que incrementa la energía cinética del fluido, que luego se

transforma parcialmente en presión estática. Se dividen en dos grandes grupos:

los ventiladores axiales y los ventiladores centrífugos.

Ventiladores axiales: En los ventiladores axiales, el movimiento del flujo

a través del rotor, con álabes o palas de distintas formas, se realiza

conservando la dirección del eje de éste

Se usan para mover grandes cantidades de aire en espacios abiertos;

como la resistencia al flujo es muy baja, se requiere generar una presión

estática pequeña, del orden de los 5 a 25 milímetros de columna de agua

(mmcda). Debido a esto, la principal aplicación de los ventiladores

axiales se encuentra en el campo de la ventilación general y se los conoce

con el nombre de extractores o inyectores de aire.

Ventiladores centrífugos: En estos ventiladores el aire ingresa en

dirección paralela al eje del rotor, por la boca de aspiración, y la descarga

se realiza tangencialmente al rotor, es decir que el aire cambia de

dirección noventa grados (90 °)

Este tipo de ventiladores desarrolla presiones mucho mayores que los

ventiladores axiales, alcanzando presiones de hasta 1500 milímetros de

columna de agua (mmcda) y son los empleados, mayormente, en los

sistemas de ventilación localizada.

El principio de funcionamiento de los ventiladores centrífugos es el

mismo de las bombas centrífugas. Están constituidos por un rotor que

posee una serie de paletas o álabes, de diversas formas y curvaturas, que

giran aproximadamente entre 200 y 5000 rpm dentro de una caja o

envoltura.

La selección de un ventilador consiste en elegir aquel que satisfaga los requisitos

de caudal y presión con que debe circular los gases, para la temperatura de la

operación y la altitud de la instalación y además se debe determinar su tamaño,

el número de revoluciones a las que debe girar el rotor, la potencia que debe ser

entregada a su eje, el rendimiento con el que funciona, el tiro ya sea forzado o

inducido, la disposición de la transmisión, el ruido generado, etc. Los fabricantes

de los ventiladores proporcionan la información necesaria para realizar una

correcta selección. Todos los ventiladores que entre si poseen medidas

proporcionales, o sea que son semejantes, pertenecen a una misma “SERIE”.




41

B. Bomba de agua

Las bombas son de gran importancia en el trasporte de fluidos debido a su

capacidad de producir un vacío, con lo cual se puede empujar un fluido hacia

donde se desee transportar. Existe una infinidad de bombas de las cuales tienen

distintas funciones, todo depende del tipo de fluido, la temperatura y la presión

que soportara

En nuestro diseño se utilizara una bomba centrifuga ya que es de las mas

utilizadas en la industria, cuesta menos y es mas accesible su inspección y

funcionamiento. Para su selección se tomara los parámetros de funcionamiento

del scrubber y así poder determinar las características de operación de la bomba

de agua de enfriamiento.

La potencia absorbida por una bomba centrifuga es la requerida por esta en su

acoplamiento o al eje de la maquina de accionamiento, potencia mecánica que se

obtiene mediante la siguiente formula:

Donde: P: potencia




GASES COMB.

DIAGRAMA DE FLUJO

CHIMENEA

DESCARGA

DESAGUE

CALDERA ACUOTUBULAR

SCRUBBER

TANQUE

DE

AGUA

V

B M. E

M. E

<

P.L.C

AIRE

CBLE




43

2.4. HIPÓTESIS

Es viable técnica y económicamente diseñar un condensador parcial a

mezcla de gases residuales por agua fría para la caldera acuotubular Nº 12

de la Empresa Azucarera Casa Grande S.A.A. y así reducir la

contaminación del aire.

2.5. VARIABLES

2.5.1. Variables independientes

Flujo másico de gases residuales. (kg/s)

Temperatura de gases residuales. (ºC)

Flujo másico de agua fría necesaria para la condensación de los gases

residuales. (kg/s)

2.5.2. Variable dependiente.

Temperatura de condensación de los gases residuales. (ºC)

Flujo másico de la mezcla (gases residuales + agua) (kg/s)




CAJA DE VARIABLES

CONDENSADOR

PARCIAL

(SCRUBBER)

Flujo másico del agua fría para la

condensación (kg/s)

Flujo másico de gases residuales.

(Kg/s)

Temperatura de gases residuales.

(ºC)

Temperatura de condensación de

los gases residuales. (ºC)

Flujo másico de la mezcla (gases

residuales + agua) (kg/s)

VARIABLES

INDEPENDIENTES

VARIABLES

DEPENDIENTES




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2.6. DISEÑO DE CONTRASTACIÓN

2.6.1. Tipo de Investigación

Considerando que nuestro objeto de estudio es la Caldera Acuotubular de 100

Ton/hora a la cual se analizara los parámetros energéticos de los gases de

combustión que emite; se considera del tipo Aplicativa y Descriptiva.

2.6.2. Material de estudio

Nuestro objeto de estudio es la Caldera Acuotubular Nº 12 de la Empresa

Agroindustrial Casa Grande S.A.A. con generación de vapor de 100 ton/h

tomando especial atención los parámetros físicos y energéticos contenidos en

los gases de combustión.

2.6.3. Métodos, Técnicas e Instrumentos

a) Observación

Se visualizara los dibujos y planos para conocer el proceso actual de la planta

térmica donde opera la Caldera.

b) Mediciones

Se toma datos de los termómetros, tablas termodinámicas para definir los

parámetros con los cuales opera los gases de combustión de la caldera.

c) Entrevista

Se entrevistara verbalmente a los operadores de la caldera para conocer sobre el

funcionamiento de la caldera en especial del hogar.

d) Analítica

Se tomó ecuaciones para realizar los cálculos de balance de masas y balance de

energía de los gases de combustión de la caldera y el scrubber.

e) Deductiva

Se recopilo información y datos de libros, páginas de internet para el desarrollo

de fórmulas y ecuaciones presentes en esta tesis.




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2.6.4. Población-Muestra

2.6.4.1. Población

La Caldera Acuotubular Nº12 de la Empresa Agroindustrial Casa Grande

S.A.A.- La Libertad con generación de vapor de 100 Ton/h, que utiliza

como combustible el Carbón y el Bagazo de la caña de azúcar.

2.6.4.2. Muestra

Se considera al hogar de la caldera Acuotubular de 100 ton/h de vapor.

a) Procedimiento a realizar

Punto 1: Identifica la necesidad reducir los gases contaminantes

emitidos por la Empresa

Debido al uso de combustibles sólidos en el hogar de la caldera se genera gases

contaminantes que luego serán emitidos al medio ambiente, es por eso que se

requiera la implementación de un scrubber para minimizar el impacto ambiental

de estos gases.

Punto 2: Recopilación y Análisis de los datos

Recopilación de los datos de la Empresa Agroindustrial Casa Grande S.A.A – La

Libertad.

Se considera las características de operación de la Caldera Acuotubular Nº12 de

100 ton/h de vapor empleando como combustible el bagazo de la caña de azúcar

y el carbón; tomando especial consideración los datos presentes en los gases de

combustión.

Punto 3: Determinación del PCI de los combustibles.

Del análisis estequiometrico del bagazo y del carbón se procederá a calcular el

PCI de los combustibles.

Punto 4: Determinación de los flujos másicos de aire, combustible y

gases de combustión.

Aplicación de las ecuaciones de balance de masas para la determinación de cada

uno de estos.

Punto 5: Determinación del flujo de agua de condensación en el

Scrubber y la capacidad del mismo.




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Aplicación de las ecuaciones de balance de masa y energía para la determinación

de estos.

Punto 6: selección y dimensionamiento de los equipos del sistema que

conforman todo el diseño del scrubber.

Con los datos obtenidos anteriormente se procede a seleccionar la bomba de

agua de refrigeración, los motores eléctricos, el ventilador que extrae el gas de la

caldera, los soportes, los conductores del motor.

Punto 7: determinación de la viabilidad técnica y económica de la

implementación del condensador de gases.

Al desarrollar el cálculo se logra determinar si es viable técnica y

económicamente, ya que nos permitirá determinar si hubo una reducción de los

gases contaminantes emitidos al medio ambiente.

2.6.5. Diseño de ejecución

1. Datos de la caldera de estudio.

2. Análisis de los combustibles

3. Balance en la caldera

4. Análisis de los gases de combustión (T, flujos)

5. Diseño del ducto de gases contaminantes.

6. Selección del ventilador de tiro inducido.

7. Selección motor (accione el ventilador)

8. Balance en el scrubber.

9. Diseño del lavador de gases

Dimensión de lavador de gases

Cantidad de deflectores del scrubber

10. Diseño del ducto de descarga del scrubber

11. Diseño de los soportes del scrubber.

12. Descripción del funcionamiento del scrubber.

13. Fabricación de los elementos del scrubber.

14. Dimensionamiento y Selección de la red de tuberías

15. Selección de los aspersores.

16. Selección de la bomba de recirculación de agua.

17. Selección del motor eléctrico (accione la bomba)

18. Selección de las válvulas

19. Selección del tanque de agua.

20. Instrumentación.

21. Inversión de la fabricación y equipos del condensador de gases residuales.




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