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UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA “EVALUACIÓN DE LAS POSIBLES FUENTES DE AGUA DE ATEMPERACIÓN REQUERIDA POR LAS CALDERAS ACUOTUBULARES DE ALTA PRESIÓN DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE FERTILIZANTES” REALIZADO POR: DARIANA COROMOTO GÓMEZ CHIRINOS TRABAJO DE GRADO PRESENTADO ANTE LA UNIVERSIDAD DE ORIENTE COMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TÍTULO DE: INGENIERO QUÍMICO Barcelona, Enero de 2010
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  • 1. UNIVERSIDAD DE ORIENTENCLEO DE ANZOTEGUIESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADASDEPARTAMENTO DE QUMICA EVALUACIN DE LAS POSIBLES FUENTES DE AGUA DEATEMPERACIN REQUERIDA POR LAS CALDERAS ACUOTUBULARESDE ALTA PRESIN DE UNA PLANTA PRODUCTORA DEFERTILIZANTESREALIZADO POR: DARIANA COROMOTO GMEZ CHIRINOSTRABAJO DE GRADO PRESENTADO ANTE LA UNIVERSIDAD DE ORIENTECOMO REQUISITO PARCIAL PARA OPTAR AL TTULO DE:INGENIERO QUMICOBarcelona, Enero de 2010

2. UNIVERSIDAD DE ORIENTENCLEO DE ANZOTEGUIESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE QUMICAEVALUACIN DE LAS POSIBLES FUENTES DE AGUA DEATEMPERACIN REQUERIDA POR LAS CALDERAS ACUOTUBULARES DE ALTA PRESIN DE UNA PLANTA PRODUCTORA DEFERTILIZANTES ASESORES___________________________________________________________Ing. Qumico Hernn Raven, M.ScIng. Qumico Jess Mora Asesor AcadmicoAsesor IndustrialBarcelona, Enero de 2010 3. UNIVERSIDAD DE ORIENTE NCLEO DE ANZOTEGUIESCUELA DE INGENIERA Y CIENCIAS APLICADASDEPARTAMENTO DE QUMICAEVALUACIN DE LAS POSIBLES FUENTES DE AGUA DEATEMPERACIN REQUERIDA POR LAS CALDERAS ACUOTUBULARES DE ALTA PRESIN DE UNA PLANTA PRODUCTORA DE FERTILIZANTES_____________________________________Ing. Qumico Hernan Raven, M.Sc Asesor AcadmicoIng. Qumico Lucas Alvarez Ing. Qumico Lus MorenoJurado Principal Jurado Principal Barcelona, Enero de 2010 4. ARTCULO 41 DE ACUERDO AL ARTCULO 41 DEL REGLAMENTO DE TRABAJODE GRADO: LOS TRABAJOS DE GRADO SON DE EXCLUSIVA PROPIEDAD DE LAUNIVERSIDAD DE ORIENTE Y SOLO PODRN SER UTILIZADOS A OTROSFINES CON EL CONSENTIMIENTO DEL CONSEJO DE NCLEORESPECTIVO, QUIEN LO PARTICIPAR AL CONSEJO UNIVERSITARIO.iv 5. DEDICATORIA Primero que nada a Dios todopoderoso por siempre acompaarme y brindarmesu proteccin, mis padres Daro y Ana por su amor incondicional y a mis padrinosIrma y Armando por ser mi apoyo incondicional y este logro es de ustedes. AChristian, con el cual compart toda mi carrera y muchas experiencias, por sucompaa v 6. AGRADECIMIENTOEn primer lugar, agradezco a Dios todopoderoso y a mi virgen Coromoto, poriluminar mi camino, brindarme las oportunidades y ponerme en el camino a laspersonas que contribuyeron a mi crecimiento acadmico y personal, por guiar mispasos y ofrecerme la fortaleza y serenidad espiritual para seguir adelante a pesar delos obstculos.A mis padres por su apoyo incondicional y amor. A mis hermanos Daro yHctor por su respeto, cuidado y consejos. A mis padrino Irma y Armando porque sin su apoyo no hubiera podido terminarmis estudios. A mi ta Irma por ser una madre para mi, apoyarme, aconsejarme y susconsejos. Gracias por permitirme entrar en su hogar y por su paciencia. A mi ta Mary y mi abuela por su apoyo incondicional y preocupacin por mibienestar en todos los aspectos, as como a mi prima Gabriela por sus consejos. A Christian por su compaa, confianza y cario durante toda la trayectoria demi carrera.A mis amigas y hermanas Mariangel , Sairen y Nelkarlys porque siempre fueronun apoyo para mi, en las malas y buenas siempre estuvieron conmigo.A todos mis amigos con los cuales compart rumbas, reuniones y miles devivencias Natalia, Luis Alberto, David, Kardelys, Rosinic.A mi amiga Nazaret y Mara campos por su apoyo y ayuda en todo momento.vi 7. A la mama de Nelkarlys y de Mariangel queme trataron como una hijasiempreA todos mis compaeros de Fertinitro Omar, chaparro, Samuel ,Yolimar,Patricia, Carolina, Morey, Harold, David Mare, Josue ,Alonso por su apoyo ycompaerismo. A todos ustedes, mil GRACIAS. vii 8. RESUMEN El presente trabajo abarc la evaluacin de las posibles fuentes de atemperacinde agua de atemperacin para las calderas acuotubulares de alta presin de la plantaproductora de fertilizantes, ubicado en el complejo Jos Antonio Anzotegui, estadoAnzotegui, se realizaron anlisis de los parmetros fisicoqumicos tanto al agua dealimentacin de calderas, fuente actual de atemperacin, como a las fuentespropuestas de agua de salida de lechos mixtos, condensado de procesos, condensadode turbinas y de vapor saturado HS mediante los resultados obtenidos sepreseleccionaron el condensado de turbinas y vapor saturado de caldera porquepresentaron menor porcentaje de desviacin de parmetros fisicoqumicos fuera deespecificacin, a travs de la simulacin del proceso de atemperacin del vapor dealta presin de caldera en tres escenarios distintos: operacin actual, con condensadode turbinas y con condensado de vapor saturado de alta presin (HS), empleando elsimulador de procesos Hysys, con el fin de determinar lo flujos requeridos para laatemperacin del vapor, luego se dise el condensador empleando el simulador deprocesos Aspen plus y seleccionaron las bombas adecuando las condiciones detemperatura y presin del condensado de vapor saturado HS y de turbinas a lasrequeridas para la atemperacin a cuyos equipos diseados y/o seleccionados con elimplemento de correlaciones y cotizaciones se determin la inversin inicial encostos principales de equipos resultando de 51.760,28 $ y 66.858,44 $ para elcondensado de turbinas y vapor saturado respectivamente, esta inversin inicial juntootros criterios se tomaron en cuenta para la seleccin de la opcin con mayorfactibilidad tcnica y econmica a travs de una matriz de evaluacin resultando serel condensado de turbinas la opcin con mayor factibilidad tecno-econmica. viii 9. CONTENIDOARTCULO 41 ............................................................................................................ivDEDICATORIA ........................................................................................................... vAGRADECIMIENTO .................................................................................................viRESUMEN.................................................................................................................viiiCONTENIDO .............................................................................................................. ixCAPITULO I................................................................................................................. 1INTRODUCCIN ........................................................................................................ 1 1.1 Breve resea de la empresa ................................................................................. 1 1.2 Planteamiento del problema................................................................................ 3 1.3 Objetivos ............................................................................................................. 5 1.3.1 Objetivo general ........................................................................................... 5 1.3.2 Objetivos especficos ................................................................................... 6CAPITULO II ............................................................................................................... 7MARCO TERICO...................................................................................................... 7 2.1 Antecedentes ....................................................................................................... 7 2.2 Definiciones ........................................................................................................ 8 2.2.1 Urea .............................................................................................................. 8 2.2.2 Amonaco ..................................................................................................... 8 2.2.3 Carbamato de amonio .................................................................................. 9 2.2.4 Carbonato de amonio ................................................................................... 9 2.3 Conocimientos generales sobre sistema de generacin de vapor........................ 9 2.3.1 Sistema de generacin de vapor................................................................... 92.3.1.1 Calderas generadoras de vapor ........................................................... 10 2.4 Obtencin de amoniaco..................................................................................... 21 2.5 Descripcin del proceso de obtencin de urea.................................................. 22 2.6 Vapor de agua como servicio industrial en fertinitro....................................... 24 2.6.1 Sistema de generacin de vapor de alta presin HS .................................. 25 ix 10. 2.6.1.1 Calderas acuotubulares de alta presin ............................................... 252.6.1.2 Atemperacin del vapor en calderas (control de temperatura del HSgenerado)......................................................................................................... 27 2.6.1.3 Agua de alimentacin a calderas o BFW (Boiling Feed Water)............. 30 2.7 Preparacin de condiciones de presin y temperatura del agua desmineralizada para adquirir la denominacin de alimentacin a caldera o BFW .......................... 33 2.7.1 Precalentamiento del agua de alimentacin a calderas (BFW).................. 34 2.7.2 Adecuacin de la presin del agua de alimentacin de caldera y desaireacin de la misma .................................................................................... 35 2.8 Equipo consumidor de vapor hs en la planta .................................................... 38 2.8.1 Turbinas de vapor....................................................................................... 38 2.9 Equipos usados para la adecuacin de las condiciones de temperatura y presin de un fluido ............................................................................................................. 40 2.9.1 Condensadores ........................................................................................... 402.9.1.1 Calculo estimado del rea de transferencia de calor ........................... 412.9.1.2 Intercambiadores de haz de tubos y coraza......................................... 422.9.1.3 Intercambiadores de tubos en U.......................................................... 42 2.9.2 Bomba centrifuga ....................................................................................... 432.9.2.1 Balances macroscpicos en sistemas isotrmicos............................... 442.9.2.2 Cavitacin ........................................................................................... 46 2.9.3Tanque de almacenamiento de agua ........................................................... 482.9.3.1 Clasificacin de tanques de almacenamiento...................................... 49 2.10 Balances de materia sin reaccin qumica ..................................................... 51 2.10.1 Ecuacin general de balance de materia .................................................. 51 2.11 Simuladores de procesos ................................................................................. 52 2.12 Evaluacin econmica de proyectos ............................................................... 53 2.12.1 Estimacin de costos por equipo.............................................................. 53 2.12.2 Actualizacin de costos............................................................................ 58CAPITULO III ............................................................................................................ 59x 11. DESARRROLLO DEL PROYECTO......................................................................... 593.1 Caracterizar fisicoqumicamente el agua usada para la atemperacin en lascalderas.................................................................................................................... 59 3.1.1 Caracterizacin fisicoqumica de agua....................................................... 593.2 Proposicin de las posibles fuentes de agua de atemperacin .......................... 62 3.2.2 Recopilacin de los datos de diseo y operacin tanto del agua de atemperacin actual como de las fuentes propuestas.......................................... 65 3.2.2.1 Recopilacin de los datos de diseo del proceso de atemperacin actual ............................................................................................................... 65 3.2.2.2 Recopilacin de los datos de operacin actual tanto del agua de alimentacin a caldera (fuente actual de atemperacin) como del agua de las fuentes propuestas ........................................................................................... 67 3.2.2.3 Preseleccin de las opciones planteadas ............................................. 733.3 Seleccin de los equipos necesarios para la adecuacin de las condiciones delagua proveniente de las posibles fuentes propuestas a las requeridas para laatemperacin en calderas ........................................................................................ 74 3.3.1 Determinacin del flujo a travs de la simulacin del proceso de atemperacin usando el simulador Hysys plant 3.2 ............................................ 77 3.3.1.1 Comparacin de los resultados de la simulacin del proceso de atemperacin actual en Hysys a las condiciones de operacin actual de la planta............................................................................................................... 78 3.3.1.2Simulacin del proceso de atemperacin usando condensado de turbina como flujo atemperador ...................................................................... 81 3.3.1.3 Simulacin del proceso de atemperacin usando como flujo atemperador condensado de vapor saturado de caldera .................................. 83 3.3.2 Adecuacin de la presin de la corriente de atemperacin para cada opcin. ............................................................................................................................. 90 3.3.2.1 Seleccin de bomba............................................................................. 90 xi 12. 3.4 Escoger la opcin con mayor factibilidad de acuerdo a una evaluacin tcnica y estudio de costos preliminar.................................................................................... 70 3.4.1 Estudio de costos preliminar ...................................................................... 703.4.1.1 Estimacin de costos por equipo........................................................ 703.4.1.2 Actualizacin de precios de los equipo............................................... 73CAPITULO IV............................................................................................................ 76DISCUSIN DE RESULTADOS .............................................................................. 76 4.1Anlisis de resultados obtenidos ................................................................. 76 4.1.1 Anlisis de los parmetros fisicoqumicos del agua de alimentacin a calderas (BFW) ................................................................................................... 76 4.1.2 Criterios usados para la proposicin de las fuentes de atemperacin ........ 834.1.2.1 Anlisis de los parmetros fisicoqumicos del agua procedente de lasfuentes propuestas ........................................................................................... 85 4.1.3 Anlisis de los parmetros de diseo de los equipos seleccionados y diseados para la adecuacin de las condiciones del condensado de turbinas y vapor saturado a las requeridas para la atemperacin en calderas ...................... 944.1.3.1 Equipos diseados y seleccionados..................................................... 95 4.1.4 Anlisis de estudio de factibilidad tcnica y econmica de las opciones de condensado de turbina y vapor saturado de caldera............................................ 984.1.4.1 Inversin de capital ............................................................................. 994.1.4.2 Espacio fsico requerido.................................................................... 1024.1.4.3 Ganancia de la inversin ................................................................... 1024.1.4.4 Seleccin de la opcin con mayor factibilidad tcnica y econmica 104CAPITULO V ........................................................................................................... 106CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES........................................................ 106 5.1. Conclusiones .................................................................................................. 106 5.2. Recomendaciones........................................................................................... 106BIBLIOGRAFA ...................................................................................................... 108METADATOS PARA TRABAJOS DE GRADO, TESIS Y ASCENSO................ 110xii 13. xiii 14. CAPITULO I INTRODUCCIN1.1 Breve resea de la empresa Fertilizantes Nitrogenados de Venezuela, FertiNitro C.E.C, es una empresapetroqumica, dedicada a la produccin de amonaco y urea granulada. Est ubicadaen el Complejo Industrial Petroqumico y Petrolero General de Divisin Jos AntonioAnzotegui, en la localidad de Jose, al norte del estado Anzotegui. En la figura 1.1 semuestra su ubicacin dentro del condominio de Pequiven. Figura 1.1. Ubicacin de la empresa Fertilizantes Nitrogenados de VenezuelaC.E.C dentro del condominio de Pequiven. 15. 2Su construccin se inici en 1997, crendose con el propsito de cumplircompromisos comerciales a nivel mundial y establecer en el mercado una produccinde amonaco y urea de alta calidad. La instalacin de esta empresa ha sido posible conuna inversin de mil cien millones de dlares, de los cuales el 30% fue aportado porlos socios del proyecto, el 70% restante fue financiado por un pool de tres bancos,Citibank y Nations Bank de Estados Unidos y Medio Crdito Centrale de Italia.Esta empresa cuenta con dos plantas de amonaco anhidro, cuya capacidad deproduccin es 1.800 toneladas por da cada una, y dos plantas de urea granulada, detecnologa Snamprogetti, cada una con capacidad de produccin de 2.250 toneladasmtricas por da (TMPD). Las dos unidades de urea trenes (11 y 21) son idnticas y sedividen en cinco secciones: el circuito de alta presin, el circuito de media presin, elcircuito de baja presin, la seccin de vaco y por ltimo hidrlisis. Adicionalmenteposee las reas de servicios para generacin de vapor, agua desmineralizada,tratamiento de agua de enfriamiento, aire de servicio, nitrgeno de servicio, efluentesy almacenamiento, entre otros.FertiNitro es una compaa de carcter mixto, con participacin de empresas delestado venezolano, como Petroqumica de Venezuela (Pequiven), y empresas privadasextranjeras y venezolanas, como Koch Industries, Snamprogetti y Empresas Polar.Pequiven se dedica al procesamiento de variados productos petroqumicos para elmercado nacional e internacional. Koch Industries es una compaa privadanorteamericana ubicada entre las mayores corporaciones de los Estados Unidostomando como base las ganancias. Esta compaa emplea a ms de 13.000 personasalrededor del mundo y posee participaciones en diversas reas tales como la industriadel petrleo y gas, agricultura, productos qumicos, metales y minerales, bienes races 16. 3e inversiones financieras. Snamprogetti es una empresa italiana, perteneciente algrupo ENI, lder en los servicios de ingeniera, procura y construccin en los sectoresde qumica, petroqumica, petrleo y gas. Empresas Polar es un gran conglomeradoprivado, lder en los mercados venezolanos de cerveza, refrescos, harina de maz,aceite comestible y otros alimentos. Polar posee participaciones en empresasnacionales e internacionales en reas como manufactura, finanzas, petrleo ypetroqumica.La participacin accionara, expresada en porcentaje, es como se muestra acontinuacin:Pequiven 35 % Koch Industries 35 %Snamprogetti 20 % Empresas Polar 10 % Adems, Snamprogetti participa tambin como suplidor de tecnologa y contratistaprincipal constructor del complejo.1.2 Planteamiento del problemaLa visin y misin de FertiNitro exigen, no slo mantener un producto dealtsima calidad en los mercados de urea y amonaco del mundo, sino tambin contarcon un proceso productivo confiable en funcin de la eficiencia, tecnologa,continuidad y seguridad de cada uno de sus sistemas, preservando siempre lainteraccin entre la industria y el medio ambiente.El propsito de un sistema de vapor efectivo es producir vapor dentro de losrangos de flujo, presin, temperatura y calidad requeridas para abastecer a todos los 17. 4elementos consumidores de vapor, tanto en operacin normal como en arranque yparadas de la planta.La temperatura y presin del vapor de calderas se mantienen dentro de losrangos requeridos a travs de la variacin del flujo de agua de atemperacin medianteel contacto directo de la misma con el vapor procedente del sobrecalentador primario(el vapor de entrada al sobrecalentador secundario). Si la temperatura y presin delvapor del sobrecalentador secundario est por encima del rango se aumenta lacantidad de agua para disminuir la temperatura y por consiguiente la presin delvapor. En el caso contrario se disminuye el caudal de agua para atemperar.El flujo de agua, usada para regular la temperatura y presin del vapor generadopor calderas(de atemperacin) es succionada por las bombas 32-P-602-A/B desde eldesaireador 32-V-603, cuyo caudal vara de (5-12) T/h con una presin de (67-73kg-f/cm2) y temperatura de (130-133 C).El serpentn del sobrecalentador secundario ha presentado fallas de carencia odeficiencia de circulacin de vapor al interior del tubo por obstrucciones (depsitosen la piel interna de los tubos). Esto se debe a que el agua introducida en lossobrecalentadores con el fin de atemperar, sufre un proceso de evaporacininstantneo, lo que ocasiona que cualquier sustancia que este disuelta en el agua sufraun proceso fsico que tiende a dejar un depsito disminuyendo la transferencia decalor desde el lado del hogar(donde estan las llamas que inciden directamente sobrelos tubos) al lado interno de los tubos, causal determinante de falla en tuberas(rupturade la piel los tubos), sucediendo este fenmeno por la naturaleza del agua utilizadapara atemperar.Para solventar el problemase evaluarn las posibles fuentes de agua deatemperacin para calderas. Para ello se har un estudio de los equipos principales de 18. 5donde proviene el agua de atemperacin en operacin actual, los cuales son: eldesaireador y el tanque de agua desmineralizada (T-702), en el cual llega el aguaproveniente del tren de tratamiento de agua cruda y de los condensados de turbinas delas unidades de amoniaco y urea; adems de la caracterizacin fisicoqumica del aguaproveniente de los mismos, planteando a su vez, las alternativas posibles para laobtencin del agua de atemperar de una fuente diferente a la usada actualmente.Se utilizar como herramienta para la obtencin de datos la red de datoscomputarizados PHD (Process History Database) de Honeywell que suministrainformacin acerca de la composicin, temperatura, presin y flujos en determinadospuntos clave del proceso lo que proporciona informacin necesaria sobre cada uno delos equipos de la planta en objeto de estudio.Este trabajo se va a realizar para tener la posibilidad de conocer la mejoralternativa tanto tcnica como econmica para obtener agua de atemperacin bajo lascondiciones requeridas y no las actuales de operacin, causantes de los problemasoperacionales existentes y as garantizar las condiciones apropiadas para incrementarla transferencia de calor y por ende la eficiencia de las calderas generadoras de vaporde alta presin.1.3 Objetivos1.3.1 Objetivo generalEvaluar las posibles fuentes de agua de atemperacin requerida por las calderasacuotubulares de alta presin de una planta productora de fertilizantes. 19. 61.3.2 Objetivos especficos1. Caracterizar fisicoqumicamente el agua usada para la atemperacin en lascalderas.2. Proponer las posibles fuentes para obtener agua de atemperacin en calderas.3. Seleccionar los equipos necesarios para la adecuacin de las condiciones delagua proveniente de las fuentes propuestas a las requeridas para la atemperacin.4. Seleccionar la opcin con mayor factibilidad de acuerdo a una evaluacintcnica y estudio de costos preliminar. 20. CAPITULO II MARCO TERICO2.1 Antecedentes [1]En 2009, Morenorealiz un evaluacin de la red de vapor de baja presin enlos trenes de produccin de amonaco de la empresa Fertinitro, Se efectuaron balancesde masa y energa utilizando una hoja de clculo en Microsoft Excel y la simulacin dela red de vapor, con el simulador Pipephase 9.0, a las condiciones de diseo yoperacin, concluyndose que las turbinas estuvieran en funcionamiento constante, detal forma que las bombas y el ventilador sean accionados por estas turbinas y no pormotores elctricos. [2]En 2009, Chaparrorealiz un desarrollo de despliegue de enclavamientos deseguridad en calderas generadoras de vapor, para lo cual compil informacin sobre elsistema de generacin de vapor donde se plantea el tema con un enfoque tanto tericocomo aplicado directamente a FertiNitro. Esto con especial nfasis en las calderasacuatubulares de generacin de vapor y el sistema de control de procesos asociado parael control de la calidad del vapor generado describiendo los esquemas de control de lascalderas generadoras de vapor de la empresa [3]En 2007, Hernndez realiz una evaluacin de los hornos y calderas de unaempresa de produccin de metil-terbutil-eter, a travs del anlisis de las caractersticasfisicoqumicas (pH, conductividad, fosfato, hierro y slice) del agua de alimentacin,para la generacin de vapor, la inspeccin visual, el chequeo de los parmetros deprocesos de los hornos y calderas. 21. 8 En 2002, Casanova [4] realiz una evaluacin de los sistemas de generacin de vapory recuperacin de condensados en la planta de FertiNitro, la cual verific elfuncionamiento de los equipos que utilizan y generan vapor y de los instrumentos que lomiden, encontrndose en las lneas de equipos principales los instrumentos de medicinen malas condiciones, los cuales arrojaban valores errneos en operacin.2.2 Definiciones2.2.1 UreaLa urea tiene frmula molecular NH2CONH2 y es, desde muchos puntos de vista,la forma ms conveniente para la fijacin de nitrgeno. Es un compuesto cristalinoblanco obtenido del amonaco y del dixido de carbono. Tiene el mximo contenido denitrgeno disponible en un fertilizante slido (46 %). Es sencillo de producir en perlas ogrnulos y se transporta fcilmente en granel o en bolsas, sin peligro de explosin. Sedisuelve rpidamente en agua y es menos corrosivo a los equipos que muchos otroscompuestos.Adems de su uso como fertilizante, se emplea como complementoprotenico de alimentos para los rumiantes, en la produccin de melamina, comoingrediente en la manufactura de resinas, plsticos, adhesivos, recubrimientos, agentessanforizadores de textiles y resinas intercambiadores de iones [1].2.2.2 AmonacoEl amonaco anhidro (amonaco), es un compuesto qumico de nitrgeno ehidrgeno de frmula molecular NH3. A la presin atmosfrica es un gas con unadensidad menor que la del aire. Se licua a presiones moderadas. [1] 22. 92.2.3 Carbamato de amonioEl carbamato de amonio es un producto intermedio de la reaccin entre elamonaco lquido y el dixido de carbono gaseoso, para la formacin luego de la urealquida, por lo tanto, est presente en el proceso de produccin de urea el cual sedescompone y se recicla a lo largo de todo el proceso.2.2.4 Carbonato de amonioEl carbonato de amonio es un compuesto lquido intermedio que se produce en elproceso de produccin de urea, especficamente aguas abajo de la seccin de mediapresin por la disolucin del carbamato de amonio en agua, es decir, equivale alcarbamato de amonio en menos concentracin. [1]2.3 Conocimientos generales sobre sistema de generacin de vapor2.3.1 Sistema de generacin de vapor El proceso de generacin de vapor consiste en la ebullicin de una alimentacinde agua por debajo del punto crtico, se realiza a temperatura y presin constante porla termodinmica implicada en el proceso. El sistema de generacin de vapor dentrode una planta tiene que tener integrados: [2] Caldera integradas a su vez por tambor de agua y vapor, sobrecalentador de vapory economizador. Equipos de tratamiento de BFW Boiler Feed Water (Agua de alimentacin acalderas). 23. 10 Equipos de medicin y control (temperatura, presin, flujo, calidad de vapor, niveldel tanque, etc)[5]Figura 2.1 Diagrama de un proceso generalizado de una planta de vapor.[5]2.3.1.1 Calderas generadoras de vapor Las calderas se disean para producir vapor y su posterior uso mltiple. En cadacaso, el objetivo est en conseguir el diseo ms eficiente y fiable a un bajo costo. Enel mercado industrial, las calderas se disean para quemar una variedad grande decombustible y para operar presiones de hasta 12,4 MPa, con capacidades deproduccin que llegan hasta 455.000 kg/h. Las calderas de capacidad elevada tienencapacidades que van desde 4545 kg/h hasta unos 270000 kg/h. Estas unidades sedisean para operar a presiones hasta de 11,4 MPa y temperaturas de hasta 783 K.Mientras la mayora de las calderas estn destinadas a quemar gas o aceite, haytambin diseos disponibles para quemar carbn pulverizado. [2] 24. 112.3.1.1.1 Clasificacin de las calderas generadoras de vapor En base al contenido de los tubos se clasifican en acuatubulares y pirotubulares. En base a la posicin de los tubos en: verticales, horizontales e inclinados. En base a la forma de los tubos en: calderas de tubos rectos y calderas de tubos curvados. En base a la naturaleza del servicio que prestan en: fijas, porttiles, locomviles y marinas. [5] De entre estas clasificaciones la que se destaca y engloba mejor cada uno de lostipos es en base al contenido de los tubos. AcuatubularesEl agua o vapor pasa por el interior de los tubos y los gases calientes se hallanen contacto con la superficie externa de dichos tubos. Son usadas casi exclusivamentecuando interesa operar a grandes presiones y elevados rendimientos.Fundamentalmente, las calderas acuatubulares estn integradas por tambores y tubos.Los tambores se utilizan para almacenar agua y vapor. Los tubos permiteninterconectar a los tambores y es donde se realiza la transferencia de calor. Lasventajas que ofrecen las calderas acuatubulares son reducir costos, simplificar zonasde los tubos, usar modelos compactos y accesibles, lograr una transmisin de caloreficiente, obtener una circulacin ptima de fluidos y operar con una elevadaproduccin de vapor. Actualmente existe una variedad amplia de calderasacuatubulares, tienen su propia clasificacin en calderas de: tubos rectos, tuboscurvos, un solo cuerpo cilndrico, varios cuerpos cilndricos [5] 25. 12 PirotubularesEn este tipo el fluido en estado lquido se encuentra en un recipiente, y esatravesado por tubos por los cuales circula gases a alta temperatura producto de unproceso de combustin.Sistemas para circulacin en calderas acuatubularesSe clasifican en general como de circulacin natural, de circulacin forzada oasistida y de flujo monopaso: [5] Figura 2.2. Esquema simple de caldera acuatubular de circulacin natural. [5] 26. 13 De circulacin naturalLa fuerza de gravedad produce el flujo a travs de los tubos utilizando ladiferencia de densidad que existe entre los tubos ascendentes y descendentes. El calorincide directamente sobre los tubos ascendentes haciendo que a medida en que elfluido asciende su densidad vaya disminuyendo; mientras que la densidad del fluidoen los tubos descendentes va aumentando en la medida que se desciende. Estadiferencia de densidades debe compensar las prdidas de cargar a lo largo de lostubos para mantenerse en circulacin, adems de que el flujo msico descendentedebe ser igual al flujo msico descendente para mantener la estabilidad del sistema. En la parte superior de la caldera se ubica un tambor del cual desciende el lquidosaturado y se recibe una mezcla de lquido y vapor a travs de los tubos ascendentes.El trmino fraccin de sequedad es referido a la cantidad de vapor en la mezcla ypuede ser expresado como fraccin por volumen o por peso. Este factor es muyimportante debido a que los tubos deben estar en contacto con agua en todo momentopara asegurar una satisfactoria transferencia de calor y evitar que se seque lasuperficie de los tubos causando sobrecalentamiento y la posible falla de los mismos.En la figura 2.2 se presenta un esquema representativo de una caldera acuatubular contambor de vapor, de lquido, un tubo ascendente y un tubo descendente. [5][2] De circulacin forzadaUna caldera de circulacin forzada es aquella en la cual el flujo es impulsado porbombas que suministran el cabezal de presin requerido en el sistema. Tambinposeen un tambor superior del cual desciende el lquido saturado y recibe una mezclalquido-vapor y un tambor inferior que contiene el agua lquida. La circulacinforzada tiene ventajas sobre la circulacin natural cuando la caldera opera cerca delpunto crtico. Por debajo de 18.200 kPa se utiliza circulacin natural. Esto responde 27. 14al hecho de que la diferencia de densidad es cada vez menor conforme se aumenta lapresin del circuito, haciendo que el flujo en circulacin natural sea muy bajo y porconsiguiente baja generacin de vapor[5] De flujo monopasoEl agua que se alimenta a la unidad absorbe calor hasta que se conviertecompletamente en vapor. El flujo msico total, a travs de los tubos situados en lapared del hogar, iguala el flujo de agua alimentada y, durante la operacin normal, alde vapor total. Como lo nico que abandona la caldera es vapor, no hay necesidad deun tambor acumulador[5]2.3.1.1.2 Constitucin principal de calderas acuatubulares SobrecalentadoresUn sobrecalentador sirve para aumentar la temperatura del vapor generado porencima de su nivel de saturacin. El objetivo de esta operacin es que al ser utilizadoel vapor en la generacin de potencia en turbinas, se evita la formacin de gotas deagua que pudiesen causar erosin de los labes. No obstante, en algunas turbinas seexpande tanto el vapor que se hace necesario la separacin de condensados interetapa.Si el vapor va a ser distribuido dentro de una red es necesario sobrecalentarlo paraasegurar que los equipos usuarios no lo reciban como vapor saturado que puedacondensar a causa de las prdidas en las tuberas[5] 28. 15 EconomizadoresSon esencialmente intercambiadores de calor que utilizan como fluido calientelos gases de la chimenea, calentando el agua de alimentacin a las caldera (BFW porsus siglas en ingls), que entra al tambor de vapor de las calderas de circulacinnatural y forzada[3] Tambor de vapor (separacin vapor lquido)El tambor superior en la generacin de vapor cumple con varias funcionesimportantes en el proceso. Entre estas estn la recepcin del BFW, separar el vaporde la mezcla lquido vapor que circula por los tubos ascendentes, servir de punto deinyeccin de tratamiento qumico interno del agua de caldera, y permitir la purgacontinua de la caldera para disminuir la concentracin de slidos. La separacinprimaria se da en dos pasos. En el primer paso todo el vapor es removido del agua yen el segundo se remueven pequeas gotas de agua que suben con el vapor. En laseparacin primaria se hace uso del efecto de gravedad ayudado de deflectores queayudan a la separacin del vapor. Algunos diseos utilizan el efecto de fuerzacentrfuga para lograr la separacin. En la figura 2.3 se muestra un ejemplo de tamborde vapor tpico[5] 29. 16 Figura 2.3. Tambor de vapor tpico en calderas acuatubulares. [5] A continuacin en la figura 2.4 se presenta un esquema generalizado de una calderageneradora de vapor por circulacin natural de tubos verticales, siendo el modelo mscomn en calderas generadoras de vapor. [4]Figura 2.4. Esquema general de una caldera acuatubular de circulacin natural. [5] 30. 172.3.1.1.3 Problemas operacionales de calderas. Los principales objetivos del acondicionamiento de agua para calderas son laprevencin de problemas en los sistemas de calderas como incrustaciones, corrosin yarrastres. [3] Incrustaciones La incrustacin se define como un depsito adherente sobre la superficie detransferencia de calor en el lado agua de las calderas, producida por las impurezassedimentadas o cocidas sobre la superficie de calefaccin. A las elevadas temperaturas alas que se encuentra la caldera los depsitos constituyen un serio problema, y causanuna mala transferencia de calor y un potencial para la ruptura de los tubos de la caldera.El agua que circula a travs de los tubos, normalmente alejan el calor del metal,evitando que el tubo acelere este intervalo. Los depsitos aslan el tubo y reducen latasa a la que puede quitarse este calor, lo cual conlleva a un sobrecalentamiento y a unaruptura del mismo. Si no se causa la ruptura puede causar una importante perdida de laeficiencia as como la interrupcin de la transferencia de calor en otras secciones de lacaldera. [3] Corrosin Se entiende por corrosin la interaccin de un metal con el medio que lo rodea,produciendo el consiguiente deterioro en sus propiedades tanto fsicas como qumicas.La caracterstica fundamental de este fenmeno, es que slo ocurre en presencia de unelectrolito, ocasionando regiones plenamente identificadas, llamadas andicas ycatdicas: una reaccin de oxidacin es una reaccin andica, en la cual los electronesson liberados dirigindose a otras regiones catdicas. En la regin andica se producir 31. 18la disolucin del metal (corrosin) y, consecuentemente en la regin catdica lainmunidad del metal. [5] ArrastreDesde la caldera hacia el sistema de vapor, esto puede ser un efecto mecnico,puede deberse a la volatilidad de algunas sales presentes en el agua de la caldera, comola slice y los compuestos de sodio; o puede ser causado por el espumado. [5]Control qumico y mecnico del agua de alimentacin de calderas Control mecnico (control de la corrosin)El agua que contiene gases disueltos ocasiona muchos problemas de corrosin.Por ejemplo, el oxgeno en agua produce un tipo de perforacin, que resultaparticularmente grave debido a su carcter localizado. La corrosin del dixido decarbono se encuentra con frecuencia en los sistemas de condensados y menoscomnmente en los sistemas de distribucin de agua. El agua que contiene amonacoataca fcilmente el cobre y las aleaciones de cobre. Por ese motivo, la desaireacin seutiliza ampliamente para eliminar del agua los gases disueltos como el oxgeno y eldixido de carbono y controlar as la corrosin. En particular, se utiliza para eliminarel oxgeno de los sistemas de agua de alimentacin a caldera. La solubilidad de ungas en un lquido se expresa por la Ley de Henry. La concentracin en equilibrio deun gas disuelto en un lquido es proporcional a la presin parcial de ese gas que sepone en contacto con el lquido. As un gas disuelto se puede eliminar del aguareduciendo la presin parcial de ese gas en la atmsfera que se pone en contacto conel lquido. Eso tambin se puede lograr aplicando vaco al sistema y venteando el gasno deseado (desaireacin al vaco) o bien, la atmsfera se puede cambiar a la de otro 32. 19gas, aplicando un nuevo gas al sistema mientras al mismo tiempo se ventea el gas nodeseado para eliminarlo (desaireacin por presin).La desaireacin al vaco se ha utilizado satisfactoriamente en los sistemas dedistribucin de agua, pero en FertiNitro la desaireacin a presin, con vapor actuandocomo el gas de purga, se emplea para preparar el agua de alimentacin a caldera. Elvapor se elige como el gas de purga porque est fcilmente a disposicin, nocontamina el agua y adems calienta el agua y con sto reduce la solubilidad de losgases. El agua de entrada de los desaireadores no debe contener prcticamenteslidos suspendidos que podran obstruir las vlvulas de roco, las conexiones deldistribuidor de la entrada y las bandejas del desaireador. Adems, las vlvulas deroco, las conexiones y las bandejas del desaireador se pueden taponar con lasescamas que se forman cuando el agua que se desairea tiene elevados niveles dedureza y alcalinidad. Si bien los desaireadores reducen en efecto el oxgeno a nivelesmuy bajos, incluso pequeas trazas de oxgeno pueden ocasionar daos por corrosinen un sistema. Por consiguiente, la buena prctica operativa requiere la eliminacinde hasta las ltimas trazas de oxgeno con un secuestrante de oxgeno qumico, talcomo sulfito de sodio o hidrazina. [5] Control qumico de la corrosin en la pre-caldera y la calderaLas causas ms comunes de corrosin en el sistema de la caldera son los gasescorrosivos disueltos, los agentes qumicos, las celdas de concentracin y el pH bajo.Los problemas de corrosin se pueden desarrollar en cualquier parte del sistema degeneracin de vapor, tanto del lado del agua como del lado del fuego. 33. 20Eliminacin del oxgeno disuelto La gravedad del ataque del oxgeno depende de la concentracin del oxgenodisuelto, el pH y la temperatura. La influencia de la temperatura en la capacidadcorrosiva del oxgeno disuelto es particularmente importante en los calentadores yeconomizadores cerrados, donde la temperatura del agua se eleva rpidamente. Elaumento de la temperatura proporciona suficiente fuerza impulsora como paraacelerar la reaccin, de manera que incluso cantidades muy pequeas de oxgenodisuelto en el agua de alimentacin puede ocasionar corrosin grave. La desaireacinmecnica del agua de alimentacin es un primer paso importante para eliminar eloxgeno disuelto y otros gases corrosivos tales como el amonaco, el dixido decarbono y el sulfuro de hidrgeno. La desaireacin mecnica eficiente reduce eloxgeno disuelto hasta un nivel tan bajo como 6,5 ppb. Para lograr una eliminacintotal del oxgeno es necesaria una desaireacin qumica adicional. Los qumicossecuestrantes de oxgeno comunes que se utilizan para la desaireacin qumica delBFW son el sulfito de sodio, la hidrazina, la carbohidrazida y la dietilhidroxilamina(DEHA). En FertiNitro se lleva a cabo la dosificacin de un producto qumicosecuestrante de oxgeno basado en la DEHA que se inyecta directamente en el tambordel desaireador. Control del pH Un suministro de agua de alimentacin con bajo pH puede producir gravesataques cidos en las superficies metlicas del sistema de pre-caldera. Los materialesde la superficie se pueden contaminar con el drenaje de agua mineralizada cida. Elagua con bajo pH ataca el acero, pero con una corrosin general en lugar delocalizada. Resulta efectiva la neutralizacin del pH con una sustancia alcalina talcomo la soda custica. Cuando estn en uso los economizadores, el pH del agua dealimentacin debe estar por encima del valor neutro. Normalmente, es suficiente un 34. 21rango de pH entre 8,3 y 9,0 para asegurarse contra ataques cidos. En FertiNitro hayun paquete destinado a la dosificacin de una amina neutralizante que se inyecta en eltambor del desaireador para controlar el pH del sistema de pre-caldera y condensado.Depsitos en la calderaLos depsitos constituyen el mayor problema para la operacin de los equiposgeneradores de vapor. Los depsitos son acumulaciones de material en las superficiesde la caldera que pueden ocasionar recalentamiento y tambin restricciones en lacirculacin. La mayora de los sistemas de caldera actuales operan con agua dealimentacin de relativamente buena calidad. Pero ni siquiera el agua de alta calidadevita que se produzcan depsitos durante la operacin. Por lo tanto, se necesitan buenosprogramas de tratamiento interno del agua de caldera. El tratamiento de las calderas hasido esencialmente el agregado de compuestos de fosfato, ya sea por ellos mismos o conun hidrxido. El control congruente se desarroll para evitar el ataque custico en lascalderas de alta presin. Sugiere que para impedir el ataque custico, la relacin demoles entre el sodio y el fosfato no debe superar 2,8:1; y que para evitar el riesgo decido libre, la relacin de moles no debe ser inferior a 2,2:1.2.4 Obtencin de amoniacoEn FertiNitro existen dos unidades iguales, 12 y 22, cuyo proceso tiene comofinalidad la obtencin de amonaco a partir del hidrgeno y el nitrgeno. El hidrgenose obtiene por dos vas distintas y consecutivas, la primera es la reformacin al vaporo reformacin primaria y la segunda es la oxidacin parcial o reformacin secundaria.En la reformacin, el metano componente principal del gas natural, es sometido acombustin controlada donde el vapor es el agente oxidante. En la segundareformacin, el metano remanente es sometido a una segunda combustin donde el 35. 22agente oxidante es el oxgeno del aire. Debido a la introduccin de aire en el sistemaahora la mezcla tambin posee nitrgeno adems de hidrgeno, componentesprecursores del amonaco[2]2.5 Descripcin del proceso de obtencin de ureaLa presente seccin contiene la descripcin tcnica de un tren de produccin deurea lquida con capacidad nominal de 2.250 toneladas mtricas por da (TMPD) deurea granulada, basada en la tecnologa de granulacin de lecho fluidizado. Elproceso de despojamiento del amonaco de Snamprogetti se caracteriza por un lazode sntesis de urea que opera a unos 159 kg/cm2 (g) con una relacin molaramonaco/dixido de carbono de 3,3 3,6 en la entrada del reactor de sntesis. Estopermite una conversin en urea del 63% en el reactor, producto tambin de los platosperforados que evitan el flujo en retroceso y favorecen la absorcin del gas en ellquido. En el reactor de urea se producen dos tipos de reacciones qumicas simultneas: [5]CO2 + 2 NH3 NH2COONH4 (Ec. 2.1)Dixido deAmonaco Carbamato decarbono amonio+ 32.560 kcal/kmol de carbamato (a 1,033 kg/cm2, 25C)NH2COONH4 NH2CONH2 + H2O (Ec. 2.2) Carbamato de amonio Urea Agua-4.200 kcal/kmol de urea (a 1,033 kg/cm2, 25 C) 36. 23 La primera reaccin es altamente exotrmica, mientras que la segunda, esligeramente endotrmica y se produce a baja velocidad en la fase lquida. Aguas abajo de la sntesis de urea, la descomposicin del carbamato y larecuperacin principal de los reactantes qumicos no convertidos, se lleva a cabo entres pasos consecutivos: despojadores de alta presin (HP), media presin (MP) ybaja presin (LP). Luego de esto, se purifica la urea lquida en la seccin de vaco para ser llevadaluego a la unidad de granulacin. El diagrama de flujo de este proceso se puedeobservar en la figura 2.5.La descomposicin es la reaccin inversa de la ecuacin 2.2, y como puedeinferirse esta se ve favorecida por la reduccin de la presin y/o adicin de calor [2]NH2COONH4 CO2 + 2 NH3(Ec. 2.4) Carbamato de Dixido de Amonaco amonio carbonoLos intercambiadores en los que se purifica la urea se denominan despojadores,porque en dichos equipos se efecta la descomposicin del carbamato residual. 37. 24 Vap ores N H3 + CO 2Desp oj ad or Desp oj ad or Desp ojad orHPMPLPS ist ema d evaco Pre R eact or con cen t rad orCO 2 (G as)d e vacoCon cen trad ord e vacoVap ores N H3Hid rlisisTan q u e d eAgu a con d en sad oEn f riad orG ran u lad or d eAlmacen lech o f lu id izad oFigura 2.5. Diagrama de flujo del proceso de produccin de urea.[2]2.6 Vapor de agua como servicio industrial en fertinitro Es considerado un servicio industrial y se proporciona normalmente en cuatroniveles de presin: muy alta, alta, media y baja. En la tabla 2.1 se presentan los tiposde vapor utilizados en FertiNitro. [2] Tabla 2.1. Condiciones de los tipos de vapor generado en FertiNitro segndiseo.[6] Tipo de vaporPresinTemperatura(kgf/cm2 g) (C)Muy alta presin (HS) (109 114) (505-515)Alta presin (KS) (44-46) (380-390) Media presin (MS) (21-27) (214-370)Baja presin (LS) (4-5) (150-240) 38. 25Estos distintos tipos de vapor son utilizados tanto en procesos de transferencia decalor como en los procesos mismos dentro de las plantas. Para una plantapetroqumica el vapor puede compararse como la sangre de la planta pues esnecesario para el funcionamiento de diversas turbinas que a su vez impulsan a loscompresores y bombas. Tambin se utiliza en la reformacin primaria y secundariapara producir gas de sntesis y en la hidrodesulfuracin, as como para otros usosdiversos. Toda planta petroqumica posee un sistema de generacin de vapor bien seapara utilizarlo como parte del proceso mismo o como servicio industrial. Dichossistemas varan dependiendo del posterior uso del vapor generado.[6]El alcance del sistema de vapor de Fertinitro, C.E.C. es proporcionar vapor alcomplejo, en la calidad y cantidad requerida para todas las condiciones operacionalesy para el arranque.2.6.1 Sistema de generacin de vapor de alta presin HSEl sistema de generacin de vapor de alta presin dentro de la planta estaintegrado por: Calderas auxiliares acuotubular compuestas a su vez por tambor de lodos y devapor saturado, sobrecalentador primario y secundario de vapor yeconomizador. Equipos de tratamiento de BFW Boiler Feed Water (Agua de alimentacin acalderas). Equipos de medicin y control (temperatura, presin, flujo, calidad de vapor,nivel del tanque, etc).2.6.1.1 Calderas acuotubulares de alta presin 39. 26 En la unidad de servicios (U-32) se cuenta con dos calderas auxiliares acuotubularesde alta presin. Las calderas auxiliares por diseo producen el vapor requerido en el arranque delcomplejo y durante la operacin normal aportando 50 ton/h cada una. Actualmenteambas calderas se encuentran en operacin simultnea a alta carga enaproximadamente 80 % o ms dependiendo de los requerimientos de la planta. Figura 2.6 Caldera (32-B-601) acuotubular de circulacin natural generadora de vapor de alta presin (HS).Son de tipo circulacin natural, equipadas con ventilador de aire de combustintipo impulsor doble (motor elctrico y turbina de vapor), estn diseadas para teneruna eficiencia basada en el L.H.V. (Low Heating Value, poder calorfico inferior)del combustible de 92% mnimo, una conductividad del vapor a MCR microS/cm 0,2mximo y una emisin de NOx de 300 mg/Nm3 mximo. La capacidad es de 100 t/hen condicin normal y de 110 t/h pico (durante 1 hora, cada 24 horas) para satisfacerlas condiciones de emergencia. En la figura 2.6 se muestra la caldera acuotubular dealta presin ubicada en la unidad de servicios de la planta (U-32). 40. 27Para mantener el vapor generado por la caldera en las especificacionesrequeridas desde el punto de vista de presin, temperatura y calidad del vapor parasatisfacer a todos sus usuarios (turbinas principalmente) se hace uso de laatemperacin de calderas[6]2.6.1.2 Atemperacin del vapor en calderas (control de temperatura del HSgenerado)La atemperacin consiste en el control de la temperatura del vapor HS a travsde la mezcla de agua de alimentacin de caldera (BFW) con el vapor de salida delsobrecalentadorprimario y se lleva a cabo a travs de la inyeccin del BFWdirectamente al vapor a la salida del primer sobrecalentador, dicho esquema semuestra en la figura 2.7. 41. 28 Vapor de alta Presin (HS)45 kg/cm2 390 CAgua dealimentacin acalderas 130 C 66 kg/cm2 TamborTambor de vaporde vapor Agua de alimentacin aEconomizadorSH2calderas130 C66 kg/cm2SH1Atemperacin del vapor Tambor de lodosFigura 2.7 Proceso de atemperacin del vapor en calderas. La regulacin del flujo de agua usado para atemperar (BFW) esta sujeto a unalgica de control, consiste en un esquema en cascada donde el controlador detemperatura enva la seal de valor de referencia al controlador de flujo, el cual a suvez regula la inyeccin de agua de atemperamiento. Este esquema se presenta en lafigura 2.8. La temperatura de salida del vapor es controlada mediante el dessobrecalentador,donde se inyecta BFW directamente al vapor a la temperatura de diseo del vaporHS es de 390C y 130C para el BFW. La temperatura de salida del vapor es medida 42. 29por el transmisor de temperatura (TT-6501) y enviada al controlador indicador detemperatura (TIC-6501) como variable de proceso (PV). En el controlador se realizala comparacin de la variable de proceso (PV) con el punto de ajuste (SP),producindose una seal correctiva necesaria para ser enviada al controlador de flujode BFW como valor de referencia para el FIC-6503. El flujo de BFW es transmitidopor el transmisor de flujo (FT-6503) hacia el controlador-indicador de flujo (FIC-6503) como variable de proceso (PV). Seguidamente, en el FIC-6503, se realiza lacomparacin del SP con la PV, generando la seal correctiva al actuador para regularel flujo de BFW en la vlvula de flujo (FV-6503) que es la encargada de regular elflujo del agua usada para atemperar el vapor. Figura 2.8 Esquema de control de temperatura del HS generado. 43. 302.6.1.3 Agua de alimentacin a calderas o BFW (Boiling Feed Water) El Agua de alimentacin a calderas se obtiene a travs del tratamiento del aguacruda y condensados de procesos de las unidades de amoniaco y urea(desmineralizacin del agua) y adecuacin de condiciones de presin y temperatura. El BFW es tambin usada para atemperar el vapor de salida del sobrecalentadorprimario de la caldera en operacin actual.Desmineralizacin del aguaDescripcin del proceso El sistema de tratamiento del agua en la unidad 31 de FertiNitro que provee lasinstalaciones necesarias para tratar el agua cruda y los condensados de procesoprovenientes de las plantas de amonaco y urea, esquema mostrado en la figura 2.9. Tren de tratamiento de agua CondensadoCation AAnin A Lecho mixto Ade Turbinas Tanque de Agua DesmineralizadaAgua T-701 T-702Cruda y Condensado de procesos Cation B Anin B Lecho mixto B DescarbonatadoraAlimentacin a calderas Agua para atemperacinen calderas DesaireadorFigura 2.9 Esquema de proceso del tratamiento del agua.[6] 44. 31 El agua cruda se recibe del lmite de batera del complejo la cual en su mayorparte alimenta el sistema de agua de enfriamiento de la planta; una parte se distribuyecomo agua de servicio; y el resto alimenta el sistema de tratamiento de aguadesmineralizada y condensados a razn de 142.039 kg/h en condiciones normales deoperacin. El proceso de tratamiento del agua se subdivide en la obtencin de aguadesionizada en dos lechos aninicos y catinicos y una descarbonatadora, y en laobtencin de agua desmineralizada en un lecho mixto o etapa de pulido. Losintercambiadores de iones son sustancias granulares insolubles, que contienen en suestructura molecular radicales cidos o bsicos que pueden intercambiar (sinmodificacin aparente de su aspecto fsico y sin deteriorarse ni solubilizarse), losiones positivos o negativos fijos sobre estos radicales por iones del mismo signo ensolucin dentro del lquido en contacto con ellos. Este proceso, conocido comointercambio inico, permite que la composicin inica del lquido tratado semodifique sin que cambie la cantidad total de iones presentes en el lquido antes delintercambio. El intercambiador de iones tiene una capacidad limitada (capacidad deintercambio) de almacenamiento de iones, razn por la cual pierde sus ionesdeseables y se satura de iones indeseables. Debido a ello, es necesario lavarlo con unasolucin regeneradora que contenga los iones deseados, reemplazando de ese modolos iones no deseados y devolviendo el intercambiador a su forma til. Luego del paso por los lechos mixtos el agua es enviada al tanque dealmacenamiento de agua desmineralizada 31-T-702. Dicho tanque recibe tambin elcondensado de las turbinas de vapor desde la unidad 12 y 22 que por cuyo grado deimpureza no requiere tratamiento.[6] 45. 32Una vez bombeada el agua desmineralizada suministrada por las bombas 31-P-704A/B el flujo se distribuye a varios usuarios, cuyo esquema se muestra en la figura2.10. Dichos usuarios son: El enfriador 32-E-601 el cual calienta el agua y la recircula a la salida del tanque deagua desmineralizada. Las Unidades de Amonaco 12 y 22. Las Unidades de Urea 11 y 21. Para enfriar algunas bombas y turbinas, que deben mantenerse en operacin duranteun fallototal de energa. El laboratorio. El desaereador.La presin y temperatura de entrega del agua desmineralizada es de 50 C y837 kPa (7,5 kgf/cm2 g) en condicin normal. [6]Caractersticas del agua desmineralizadaLas condiciones del agua desmineralizada deben estar bajo parmetrosestablecidos para su uso seguro, sobre todo, en la generacin de vapor. Lacomposicin del agua desmineralizada se muestra en la tabla 2.2 46. 33 Antes de que el agua desmineralizada sea alimentada a la caldera es necesarioprepararla en condiciones de presin y temperatura, para de esta manera adquirir ladenominacin de agua de alimentacin a calderas o BFW (Boiling Feed Water). Tabla 2.2. Composicin del agua desmineralizada segn diseo. [6]DescripcinValores requeridos Conductividad (S/cm)0,2 pH6,5 7,5Dureza como CaCO3 (ppm) y SiO2 (ppm)< 0,02 Oxgeno (ppm)< 0,02 Hierro total como Fe (ppm) < 0,02 Cobre total como Cu (ppm)< 0,0022.7 Preparacin de condiciones de presin y temperatura del aguadesmineralizada para adquirir la denominacin de alimentacin a caldera oBFWAntes de que el agua desmineralizada sea alimentada a la caldera es necesarioprepararla en condiciones de presin y temperatura, para de esta manera adquirir ladenominacin de agua de alimentacin a calderas o BFW (Boiling Feed Water). ElBFW es un agua de alta calidad especialmente preparada para evitar la formacin dedepsitos, corrosin, ensuciamiento, formacin de puntos calientes e incrustaciones. 47. 342.7.1 Precalentamiento del agua de alimentacin a calderas (BFW)Al BFW se le regula la temperatura y la presin para garantizar las condicionesapropiadas para maximizar la transferencia de calor y por ende la eficiencia de lascalderas generadoras de vapor. La primera adecuacin del BFW se hace precalentndolaen el 32-E-601, donde la purga continua de las calderas se enfra con BFW y regresa ala misma corriente de donde se extrajo.El resto del BFW se enva a las Unidades 12 y 22 de Amoniaco. En estaseccin el BFW es usado en tres intercambiadores de calor encargados de enfriar tresdistintas corrientes. [6]La corriente de BFW se bifurca para ir una parte al intercambiador 12/22-E-304y la otra al 12/22-E-306 donde el BFW es usado como fluido fro y como resultadodel intercambio trmico, la temperatura de salida del BFW es de 97,8 C en operacinnormal. El BFW de salida de este equipo luego se mezcla con la otra corrienteproveniente del 12/22-E-304 para entrar al tercer y ltimo intercambiador de calor12/22-E-305 a una temperatura de 98,7 C y con un flujo de 352845 kg/h. En la salidade este equipo el BFW alcanza los 120 C.El BFW resultante del intercambio de calor en el ltimo intercambiador (E-305) de ambas plantas y parte del agua desmineralizada que sale del tanque 31-T-702van directamente al desaireador 32-V-603, cuyo esquema se muestra en la figura 2.10[6] 48. 35 T 7,8 C=9T-702T= C 120 BFW C . T inaond urb sE-304 A D readl esai or A onam co32-E-601T=98 C.7 E-305 P0 -2T=50 C E-306U dade d U a ni s e reP A -704 /BUnidadesd Am o e onacP e sec aquet uestrante d oxgeneoP ete defosfato aquLabo rioratoA e am nto gua nfri ie Figura 2.10 Proceso de precalentamiento del agua de alimentacin de caldera(BFW). [6]2.7.2 Adecuacin de la presin del agua de alimentacin de caldera ydesaireacin de la mismaEl agua de alimentacin a caldera se produce y distribuye a dos niveles depresin, de alta presin para las calderas de recuperacin de calor de las unidades deamoniaco y de media presin para las calderas auxiliares, ambas con lascaractersticas que se muestran a en la tabla 2.3. Adicionalmente debe tener unaconcentracin de oxgeno inferior a 0,007 mg/kg e imperceptible de CO2 para evitarla corrosin. 49. 36 Tabla 2.3 Condiciones del agua de alimentacin a caldera segn diseo.[6] DescripcinBFW Alta presinBaja presi (HP)(MP)Presin de suministro Norm.139,900 65,960(kg-f/cm2)Mx. 142,900 68,950 Temperatura de suministro (C)130130An cuando el agua desmineralizada sale del tanque con 0,02 ppm de oxgeno,durante el calentamiento en los intercambiadores puede existir alguna dilucin.Adems de que al desaireador tambin le entran corrientes de condensados de vaporde media y baja presin (MP y LP) que pueden hacer aumentar su concentracin de[6]oxgeno disuelto. Para garantizar esta baja concentracin de oxgeno se cuenta conun desaireador tipo plato/roco (spray/tray). El gas de Desaireacin es el LS, lo cuales conveniente ya que no se introduce por equilibrio otro gas al agua. Las prdidasde LS compensan la alta calidad del BFW y no son realmente significativas. Lacapacidad de almacenamiento entre los niveles normal y mnimo es de 143 m3,suficiente para aproximadamente 10 minutos de operacin normal de la planta. Noobstante los lmites de operacin de la planta se han venido ensanchando, por lo queeste tiempo se ha disminuido en un tiempo an no conmensurado. El agua dealimentacin requerida por las calderas de recuperacin de calor, para las calderasauxiliares y para las let downs, se produce con el desaireador comn 32-V-603 y sealimenta por estaciones de bombeo separadas.Los condensados limpios del vapor de las turbinas de las unidades 12 y 22, queno requiere tratamiento y se almacenan en el 25-V-325, se alimenta directamente enel desaireador mostrado en la figura 2.13. Tambin el condensado del vapor de alta 50. 37presin de la unidad de refrigeracin es alimentado directamente al desaireador desdeel 25-E-553. Toda alimentacin de agua lquida al desaireador se introduce en el topede del mismo para llevarse a cabo el proceso fsico de transferencia de masa donde eloxgeno disuelto en el agua se desorbe por la disminucin de la presin parcial deloxgeno, esto producto de la inyeccin del vapor de baja presin. Dicho vapor sealimenta en la seccin inferior de la torre del desaireador bajo un control de presinregulando el flujo de vapor LS introducido. El flujo de vapor se monitoreacontinuamente y est provisto con alarma por bajo flujo. Figura 2.11 Desairedor (V-603) de agua de alimentacin para caldera. En la figura 2.12 se presenta el diagrama de flujo de la seccin 32, a partir delcual se presenta la descripcin del sistema de desaireacin y bombeo del agua paraalimentacin de calderas. El agua de alimentacin a caldera almacenada en el tanquedel desaireador es succionada por las bombas de agua de alimentacin a caldera 32-P-601-A/B/C. 51. 38A laUn es didad eHS BFW T=390CProcesoP= 4 k451 Pa F=46 0 kg 00 /h T= 1 C 30P 6 4 kPa = 57F= 54 kg44 2 /h25 25-V-3Desa adoire r 32-V-603 Con nsad Va rde o po BajaPresin32-B-601A32-B-601BC den o Va on sad porAltaPresin Purga LSIntermitente LS 32-P-602A/B32 01-P-6 A/B/CPurga 12/22 -2-E 09 32-V-601 32 02 -V-6 contnuaKS T= 1 C 30 BFW P= 13 kPa830 Pu a d 1 2-V-20rg el 2/21 F=64 0 kg/h 146 12/22 -2-E 08 Agua 3 6012-E- Figura 2.12 Sistema de desaireacin y bombeo del agua de alimentacin de caldera.[6]2.8 Equipo consumidor de vapor hs en la planta2.8.1 Turbinas de vaporEn las centrales de potencia de vapor, gas o hidroelctricas, el dispositivo queacciona al generador elctrico es la turbina. Cuando el flujo pasa por la turbina, ejercetrabajo sobre los labes que estn unidos al eje. En consecuencia, el eje rota y laturbina produce trabajo. El trabajo efectuado en una turbina es positivo puesto que lorealiza el fluido. Las turbinas cumplen con las siguientes caractersticas: 52. 39 La transferencia de calor es pequea respecto del trabajo del eje, a menos quehaya un enfriamiento deliberado (como en el caso de un compresor).Implican ejes rotatorios que cruzan sus fronteras, por lo que el trmino trabajo esimportante. En las turbinas el trabajo representa la salida de potencia, en bombas ycompresores, representa la entrada de potencia.El cambio de energa potencial que experimenta un fluido cuando fluye porturbinas, suele ser pequeo y casi siempre se omite. Las velocidades de flujo fluido encontradas en la mayor parte de las turbinas sonmuy altas y el fluido experimenta un cambio importante en su energa cintica. Sinembargo, este cambio casi siempre es muy pequeo en relacin con el cambio en laentalpa. Por consiguiente, a menudo se desprecia.Una turbina de vapor convierte la energa calorfica del vapor en trabajo til. Sufluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete.Existen dos tipos principales de turbinas: de accin y de reaccin.La turbina de accin tiene poca o ninguna cada de presin, a travs de suslabes mviles. La energa del vapor se transfiere por completo al rotor por medio delos chorros de vapor que chocan contra los labes mviles. Ya que, tericamente, nose tiene cada de presin a travs de los labes mviles (y, por tanto, no hay reaccin),los intersticios internos son grandes y no se necesita mbolo compensador. Estascaractersticas hacen que la turbina de accin sea una mquina robusta y durable quepueda soportar el servicio pesado de las aplicaciones de propulsin mecnica de hoyen da.En una turbina de reaccin, el vapor se expande en los labes estacionarioscomo en los mviles. Los labes mviles se disean para utilizar la energa del chorrode vapor de los labes estacionarios y para actuar tambin como toberas. Debido aque son toberas mviles, una fuerza de reaccin producida por la cada de presin a 53. 40travs de ellas, incrementa la fuerza de chorro de vapor de los labes estacionarios.Estas fuerzas combinadas causan la rotacin. Para operar eficientemente, la turbina de reaccin se debe disear paraminimizar las fugas en torno a los labes mviles. Esto se logra al hacer la mayorparte de los intersticios internos relativamente pequeos. La turbina de reaccintambin suele requerir de un mbolo compensador debido a las grandes cargas deempuje que se generan [1]2.9 Equipos usados para la adecuacin de las condiciones de temperatura ypresin de un fluido2.9.1 Condensadores Los dispositivos especiales de transmisin de calor utilizados para licuar vaporeseliminando su calor latente de condensacin reciben el nombre de condensadores. Elcalor latente se retira absorbindolo por un lquido ms fro denominado refrigerante.Puesto que evidentemente la temperatura del refrigerante aumenta en un condensador,la unidad tambin acta como un calentador, pero funcionalmente la accin msimportante es la de condensacin, y el nombre refleja este hecho. Los condensadores se dividen en dos clases. En la primera de ellas,correspondiente a los condensadores de carcaza y tubos, el vapor condensante y elrefrigerante estn separados por una superficie tubular de transmisin de calor. En lasegunda clase, correspondiente a los condensadores de contacto, las corrientes devapor y de refrigerante, que ambas son generalmente agua, se mezclan fsicamente yabandonan el condensador formando una sola corriente [13]. En los de carcaza y tubos,la corriente de fluido puede ser un componente puro o una mezcla de componentes. 54. 41La condensacin puede ocurrir en el lado de la carcaza o el lado del tubo orientadovertical u horizontalmente, pero no es usual condensar en el interior de los tubosporque el tubo se inunda con facilidad. En general, se suele hacer pasar agua por elinterior de tubos o serpentines porque el tubo se inunda con facilidad [6]2.9.1.1 Calculo estimado del rea de transferencia de calor La ingeniera de procesos es frecuentemente requerida para analizar diseos deintercambiadores de calor, especficamente el perfil del intercambio de calor ydeterminar la eficiencia del uso de ellos en nuevos servicios. Cuando se debe elegirun determinado intercambiador es preciso tomar en cuenta una gran cantidad defactores que condicionan la decisin final sobre cual ha de ser el intercambiador, esdecir de que tipo y tamao. Para ello se debe ubicar en la posicin ideal de uningeniero en total libertad de decisin que tiene que elegir en base a precio inicial yeconoma de operacin. El primer paso para esta decisin ha de ser recabar toda la informacin pertinentede los fluidos de intercambio: propiedades trmicas (calor especifico, viscosidad yconductividad), temperaturas y caudales. El segundo paso ser calcular la superficie necesaria. Aqu es donde aparecen lascomplicaciones, porque cada tipo de intercambiador tiene mtodos de clculosdiferentes, algunos bastantes engorrosos, por ello se procedi a utilizar comoherramienta para el diseo del intercambiador de calor el simulador Aspen Plus 11.1. 55. 422.9.1.2 Intercambiadores de haz de tubos y coraza Cuando se manejan flujos ms grandes se usa un intercambiador de tubos ycoraza, que es el tipo ms importante en las industrias de proceso. Los flujos de estosintercambiadores son continuos. Se usan muchos tubos en paralelo con uno de losfluidos circulando en su interior. Los tubos, distribuidos en forma de manojo, estnencerrados en una sola coraza y el otro fluido fluye por el exterior de los tubos, dentrode la coraza. Se usan deflectores transversales de tal manera que el fluido se veforzado a fluir perpendicularmente por la batera de tubos en lugar de hacerlo enparalelo. Esta turbulencia adicional generada por el flujo transversal, aumenta el flujode transferencia de calor de la coraza. Existen tres tipos bsicos de intercambiadores de haz de tubos y coraza. Dentro decada uno de ellos hay numerosos subtipos diseados para circunstancias de operacinespecficas. La construccin ha sido normalizada por una institucin privada de losEstados Unidos de Amrica llamada TEMA (Tubular Exchangers ManufacturersAssociation). Dichas normas han sido aceptadas en todo el mundo, y se pueden encontrar entodos los textos especializados en intercambiadores de calor. Los tres tipos bsicosson: tubos en U, de cabezal fijo y de cabezal flotante: [6]2.9.1.3 Intercambiadores de tubos en U El haz de tubos consiste en un panel estacionario de tubos en U (o de horquilla),deflectores o placas de soporte y espaciadores y tirantes apropiados. El haz de tubosse puede retirar de la carcasa del intercambio de calor. Se proporciona un cabezal dellado de los tubos (estacionario) y una carcasa con cubierta integrada, que se suelda a 56. 43la carcasa misma. Cada tubo tiene libertad para dilatarse o contraerse, sin limitacionesdebidas a la posicin de los otros tubos. El haz de tubos en U tiene la ventaja de proporcionar el mnimo espacio entre ellmite externo de los tubos y el interior de la carcasa para todas las construcciones dehaces de tubos desmontables. Los espacios libres son de la misma magnitud que paralos intercambiadores de calor de paneles de tubos fijos. El nmero de orificios tubulares en una carcasa determinada es menor que para elintercambiador de panel de tubos fijos, por las limitaciones de acodamiento de lostubos en un radio muy corto. El diseo de tubos en U ofrece la ventaja de reducir elnmero de juntas. En la construccin para altas presiones, esta caracterstica es muyimportante, puesto que reduce tanto el costo inicial como el mantenimiento. Lostubos en U han incrementado su empleo de manera significativa, gracias al desarrollode limpiadores hidrulicos que son capaces de eliminar residuos depositados tanto enla parte recta como en la parte doblada en U de los tubos. [6]2.9.2 Bomba centrifugaLas bombas centrfugas comprenden una clase muy amplia de bombas en lasque la generacin de presin se logra con la conversin del cabezal de velocidad encabezal esttico. El movimiento rotativo de uno o ms impulsores comunica energaal fluido en la forma de un incremento de velocidad que se convierte en cabezalesttico til en la seccin de difusin del cuerpo. No hay vlvulas en las bombas detipo centrfugo; el flujo es uniforme y libre de pulsaciones de baja frecuencia.Como este tipo de bomba opera convirtiendo el cabezal de velocidad en cabezalesttico, una bomba que opera a velocidad fija desarrollar el mismo cabezal tericoen metros (pies) de fluido bombeado, independientemente de su densidad. Sin 57. 44embargo, la presin en kPa (psi) (correspondiente al cabezal desarrollado) depende dela densidad del fluido.El cabezal mximo en m (pie) de fluido que una bomba centrfuga puededesarrollar se determina principalmente por la velocidad de la bomba rps (rpm), eldimetro del impulsor, y el nmero de impulsores en serie. Refinaciones en el diseodel impulsor y el ngulo de hoja principalmente afectan la pendiente y la forma de lacurva cabezalcapacidad y tiene un efecto menor sobre el cabezal desarrollado. Lafigura 2.13 muestra las partes ms importantes de una bomba centrfuga.Figura 2.13. Bomba centrfuga. [16]2.9.2.1 Balances macroscpicos en sistemas isotrmicosTeorema de BernoulliEl teorema de Bernoulli es una forma de expresin de la aplicacin de la ley dela conservacin de la energa al flujo de fluidos en una tubera. La energa total en unpunto cualquiera por encima de un plano horizontal arbitrario fijado como referencia,es igual a la suma de la altura geomtrica, la altura debida a la presin y la altura 58. 45debida a la velocidad y las prdidas o incrementos de energa, por lo tanto, el balancede energa puede escribirse para dos puntos del fluido, de la siguiente manera[12] nZ .g P v2F n =1+++ + =0( Ec. 2.4)Mgc . 2.gc MDonde:v 22.gc : Energa cintica [kgf.m/kg]Z.g gc : Energa potencial. [kgf.m/kg] n F n=1M : Prdidas por friccin en tramos rectos y accesorios. [kgf.m/kg] : Densidad del fluido [kg/m3] P : Cada de presin del fluido [kgf/m2] P : Potencia hidrulica [kf.m/seg] M : Flujo msico [kg/seg] En la ecuacin 2.6 el trmino que representa las prdidas por friccin totales secalculan por la siguiente ecuacin[12] n F Fd .( L + Le).Vn =1 =M 2.gc.Di (Ec. 2.4.1) 59. 46Donde las prdidas por friccin por accesorios es (Le) y por tramos rectos detuberas es (L) Le = n =1 Ki.Nai n (Ec. 2.4.1.1)Donde:i : Tipo de accesorioK: Prdidas adicionales por rozamiento a travs de los accesorios y vlvulas que seencuentran instalados a lo largo de la tubera [m]Nai: Nmero de accesorios i.Le: Longitud equivalente de accesorios [m]L: Longitud de tramos e tuberas [m]Fd: Coeficiente de rozamiento Darcy [adimensional]V: Velocidad del fluido [m/s]2.9.2.2 CavitacinLa cavitacin es un trmino estrechamente relacionado y casi sinnimo deebullicin. El trmino ebullicin normalmente describe la formacin de burbujas devapor que ocurre cuando la presin de vapor de un lquido aumenta (con unincremento de temperatura) hasta un punto en el que iguala o excede la presinesttica a la cual el lquido est expuesto.La cavitacin ocurre cuando la presin esttica del lquido cae hasta o pordebajo de la presin de vapor en un sistema de lquido en movimiento. Las burbujasde vapor formadas en la cavitacin son subsecuentemente explotadas con elincremento de presin esttica. La cavitacin comnmente ocurre en y alrededor delimpulsor de una bomba centrfuga. 60. 47 El trmino cavitacin se aplica especficamente a la formacin y subsecuenteimplosin de las burbujas de vapor, pero tambin es usado para referirse a alguna delas manifestaciones de actividad de burbujas, tales como: Picadura y erosin de la superficie del metal. La capacidad del cabezal se reduce debido a turbulencia y bloqueo del pasaje delflujo. Limitacin de flujo debido al bloqueo del pasaje del flujo. Ruido de crepitacin o golpeteo, como si la bomba estuviese llena de slidos,causados por la implosin de las burbujas. La fuerza tendiente a eliminar la cavitacin es el margen por el que la presinesttica local del lquido excede la presin de vapor del lquido a la temperatura encuestin. Cuando es convertido en trminos de cabezal de lquido, este margen depresin es definido como el cabezal neto de succin positiva, comnmentedenominado NPSH.Mecanismo de cavitacin El margen entre el NPSH disponible a la succin de la bomba y el requerido porla bomba para una buena operacin tiende a disminuir con el aumento del caudal deflujo en direccin al punto de la cavitacin inicial debido a lo siguiente:a. El NPSH disponible en la succin de la bomba tiende a disminuir con el aumentodel caudal de flujo a medida que la cada de presin en la lnea de succinincrementa. Esto se puede notar particularmente cuando las bombas son operadas en 61. 48paralelo, pero con la lnea de succin dimensionada para la operacin de una solabomba.b. El NPSH requerido incrementa a medida que el caudal de flujo aumenta debido alincremento en la cada de presin causada por el incremento de velocidad a medidaque el lquido fluye al ojo del impulsor. [12]Clculo del cabezal neto de succin positiva (NPSHD)Es el va1or de NPSH que se tiene en el sistema para la condicin ms crtica deoperacin. En general es la diferencia de la altura total de succin absoluta en laentrada del primer impulsor menos la presin de vapor absoluta dellquidomanejado, a la temperatura de operacin. Se calcula mediante la siguiente relacin:[12] F1 (PS PV ) g c NPSH=(Ec. 2.5)g l DDonde: PS = Presin de succin [psia] PV = Presin de vapor [psia] l = Densidad del lquido [lb/pie3] F1 = Factor que depende de las unidades, para sistema ingles F1=144 . . gc = Constante dimensional [32,2 lb pie / lbf s2] g = Aceleracin de la gravedad [32,2 pie/s2]2.9.3Tanque de almacenamiento de aguaLos tanques de almacenamiento son recipientes que se usan como depsitos paracontener una reserva suficiente de algn producto para su uso posterior y/ocomercializacin y tambin para asegurar un nivel de lquido como respaldo para 62. 49bombas hidrulicas evitando con esto la cavitacin de las bombas entre otros problemasoperacionales. Los tanques de almacenamiento, se clasifican en: Cilndricos horizontales. Cilndricos verticales de fondo plano. Los tanques cilndricos verticales de fondo plano permiten almacenar grandescantidades volumtricas a un costo bajo, con la limitante que slo se pueden usar apresin atmosfrica o presiones internas relativamente pequeas.2.9.3.1 Clasificacin de tanques de almacenamientoTanques de techo fijo Se emplean para contener productos no voltiles o de bajo contenido de ligeros(no inflamables) como son: agua, diesel, asfalto, petrleo crudo y otros, debido a queal disminuir la columna del fluido, se va generando una cmara de aire que facilita laevaporacin del fluido, lo que es altamente peligroso Figura 2.14 Tanque de almacenamiento de agua desmineralizada(T-702) 63. 50 A su vez los techos fijos se clasifican en: autosoportados y soportados. Debidoa que la carga manejada en la unidad de servicios industriales corresponde a aguadesmineralizada, los tanques encontrados en dicha unidad corresponden a tanques detechos fijos, el cual se muestra en la figura 2.14Diseo del tanque de almacenamiento El diseo de un tanque de almacenamiento no involucra demasiados clculos,ya que existen especificaciones relacionadas con los mismos que permiten en formarpida determinar a partir del flujo volumtrico de lquido manejado y el tiempoestimado de alimentacin de materia prima constante del lquido a almacenar.Volumen efectivo del tanque (VE) El clculo del volumen efectivo del tanque se realiza a partir de la ecuacin 2.8[12] (Ec. 2.6)Ve = (Q ) (T )Altura efectiva del tanque [12]He = (Ve ) ( D )(Ec. 2.7)Volumen nominal del tanque [12] Ve(Ec. 2.8)Vlumen No min al =0,82Donde:Ve: Volumen efectivo del tanque [m3]Ae: rea efectiva del tanque [m2]Q: caudal [m3/h] 64. 51T: premisa de tiempo de alimentacin continua de condensado[h]D: Dimetro interno de la tubera [m]2.10 Balances de materia sin reaccin qumicaUn proceso es cualquier operacin o serie de operaciones que produce uncambio fsico o qumico en una sustancia o en una mezcla de sustancias. La sustanciaque entra en un proceso se conoce como entrada o alimentacin del proceso, y aquellaque sale de l se llama salida o producto. Una unidad de proceso es aquella donde selleva a cabo una de las operaciones que constituyen el proceso. Cada unidad delproceso est asociada con un conjunto de flujos de proceso de entrada y salida, queconsisten en las sustancias que entran y salen de la unidad.Los balances de materia sin reaccin qumica tienen su campo de aplicacin enlas operaciones unitarias, las cuales son aquellas que se caracterizan porque losmateriales no sufren cambios qumicos, aunque si cambios fsicos [1]2.10.1 Ecuacin general de balance de materia La ecuacin general de balance de materia se fundamenta en el principio deconservacin de la misma y se puede representar, para un sistema en particular, pormedio de la siguiente ecuacin general: Masa acumulada en el sistema = Masa de entrada Masa desalida + (Ec. 2.9) Masa generada Masa consumida 65. 52 La ecuacin anterior que puede ser modificada segn sea el caso en particular, por ejemplo si el sistema opera en rgimen permanente o estado estacionario, no hay acumulacin de materia y la ecuacin 2.11 queda de la siguiente forma: Masa de entrada + Masa generada= Masa de salida + Masa (Ec. 2.10) consumida Ahora si adems no ocurren reacciones qumicas en ese sistema, la ecuacin 2.10 se reduce a: Masa de entrada = Masa de salida(Ec 2.11) Es importante establecer los lmites del sistema o del equipo en particular donde se realizarn balances, para establecer as los diferentes flujos que entran y salen del mismo. [1]2.11 Simuladores de procesos Los programas de diseo de proceso asistido por computadora, normalmenteconocidos como simuladores de procesos, son usados por ingenieros qumicos. Estospaquetes estn compuestos por bancos de datos, modelos de propiedades fsicas ymodelos matemticos de dimensionamiento y operacin de equipos. Los extensos bancos de datos contienen informacin acerca de constantes ypropiedades termofsicas y de transporte para cientos de sustancias, equipos, medidasde beneficio, costo de operacin y capital. Los simuladores contienen muchosmodelos de reactores y operaciones unitarias que pueden ser usados para calcular losbalances de materia y energa, evaluacin y diseo de sistemas hidrulicos. Otrosmodelos calculan propiedades de mezclas, dimensionan equipos entre muchos otros 66. 53clculos. Constantemente, los simuladores de proceso son usados para llevar a cabomuchos tipos de clculos a lo largo del diseo de un proceso, y es por ello que estnreemplazando los modelos a escala-piloto en muchos casos y estn jugando un rolcomplementario en muchos otros. El simulador ms comnmente usado para el iseo de equipos en la industriaqumica es el Aspen Plus y Dynsplus (Aspen Technology, Inc.) y para la simulacinde procesos el Hysys (Hyprotech Ltd).2.12 Evaluacin econmica de proyectos2.12.1 Estimacin de costos por equipo Un mtodo ms exacto y confiable para estimar el coso de un equipo consisteen obtener una cotizacin de un proveedor con los precios actuales. Otra opcinconsiste en usar los precios de equipos previamente comprado con su correspondienteajuste, y una ultima opcin, que resulta adecuada para estimaciones preliminares y esel tipo de evaluacin econmica a desarrollar en el proyecto, es el uso de graficas. [8][9]Para Intercambiadores: Para la estimacin de costos de un intercambiador de calor es necesariodeterminar primero las caractersticas generales del equipo partiendo del balance deenerga, tomando en cuenta la temperatura de entrada y de salida del fluido que sedesea enfriar o calentar, las caractersticas de los fluidos que se manipulan, losmateriales de construccin y el tipo de equipo a utilizar. De esta manera se obtendr 67. 54el rea de intercambio necesaria y de acuerdo al tipo de intercambiador escogido serealiza el clculo de costosSegn Chemical Engineerings published (2004) para intercambiadores de tuboy coraza el costo viene dado por: [10]C= (BC) (Ft)( Fm)( Fpt)( Fps)( Ec. 2.12)Donde:C: costo total del equipo [$]BC: costo base del equipo [$]A: rea de intercambio [ft2]Ft, Fm, Fpt, Fps: constantes (ver tablas 2.4, 2.5 y 2.6)Donde los factores antes descritos se obtienen de la siguiente forma: Tabla 2.4 Constante Ft segn configuracin de los tubos. [10]ftTipo0,7933Tubos en UTabla2.5 constante Fpt segn rango de presin en los tubos. [10]Rango de presin (psi)100 1000 2000 fpt0,05 0,070,012 68. 55Tabla2.6 constante Fps segn rango de presin en la coraza [10]Rango de presin (psi)1001000 1110 fps0,10 0,180,40Tabla2.7 Constantes segn material de construccin [10]fm rea de superficie(ft2) 100 1000 10000 Acero al 3 3,254carbnPara obtener la base costo se utiliza la figura 2.15 [10]Figura2.15 Base de costo para Intercambiadores tubo y coraza.[10] 69. 56 Para tanque de almacenamientoPara la estimacin de costo base de un tanque se requiere informacin sobre elmaterial de construccin y capacidad volumtrica del mismo.Se hace uso del grafico 2.16 referido a enero del 2002: [10] Figura 2.16 Base costo para tanque atmosfrico (API 650). [10] Para bomba centrifugaPara el costo preliminar de la bomba centrifuga se hace uso de la figura 2.8 ycorrelaciones de la tabla 2.8 correspondientes al 2004. [10] 70. 57Figura 2.17 Costo base para bombas centrifugas. [10]Tabla 2.8 Correlaciones de costos en funcin de los galones por minuto (Gpm)por la cada de presin (P). [10]Correlaciones de costos en funcin del(Gpm)(P):(Gpm)(P)< 1.000:$= (881,7) [(gpm)( psi)]0,131(Gpm)(P)< 10.000:$= (1216) Ln[(gpm)(psi)]-6.200(Gpm)(P)> 10.000:$= [(0,122) (gpm)(psi)] + 3.777 71. 582.12.2 Actualizacin de costosEl costo histrico puede ser escalado al precio real por medio de ndices decostos.Uno de los ndices que aplican a intercambiadores de proceso es la componentede equipos fabricados del ndice de costos de plantas de ingeniera qumica(Chemical Engineering Plant Cost Index). Otras posibilidades son los ndices:Marshall & SwiftEquipment Cost Index, Nelson Refinery Cost Index y U.S. Bureau of LaborStatistics General Purpose Machinery and Equipment Cost Index.El costo base corregido desde un ao base a otra fecha real puede obtenersemultiplicando el valor costo base por la relacin de los ndices base y el real. [8] [9]. I real C Re al =.C Base(Ec. 2.15) I base 72. CAPITULO IIIDESARRROLLO DEL PROYECTO3.1 Caracterizar fisicoqumicamente el agua usada para la atemperacin en lascalderas3.1.1 Caracterizacin fisicoqumica de aguaPara determinar la calidad del agua se cuenta con un laboratorio ubicado en lasinstalaciones de la planta.A travs de un programa de captacin de muestras coordinado por el personalde laboratorio con la colaboracin de los operadores, para la ubicacin en campo delos puntos de muestreo, se obtienen las muestras de agua de inters para sercaracterizada fisicoqumicamente.La caracterizacin fisicoqumica del agua juega un papel muy importanteporque esta asociada directamente con la calidad de la misma, parmetro fundamentalque se exige a la hora de utilizar el agua como atemperacin en la caldera.Tomas de muestra de aguaLa toma de muestras de agua se realiza en la unidad de servicios en los puntosde muestreo existente en las reas de inters, donde para la fuente actual deatemperacin corresponde a la salida del desaireador. 73. 60 Para tomar las mismas se usaron frascos de plstico de 300 ml de capacidad,los equipos en estudio poseen unas lneas de muestreo las cuales se drenaban por untiempo de 5 minutos antes de iniciar la recoleccin y luego se introduca el recipientehasta que se llene completamente y se sella hermticamente para evitar burbujas deaire y posibles contaminacin de la muestra por aire, etiquetando las muestras coninformacin necesaria como: procedencia de la muestra ( equipo en estudio ), fecha,hora, etc.; la captacin de muestras se realizaron los das martes, mircoles y viernesde junio del presente ao por tres semanas consecutivas, a las siete de la maana, conla colaboracin del personal tcnico del laboratorio y bajo la asesora de losoperadores del rea para la ubicacin en campo de los equipos y el manejo de losmismos.Mtodos de anlisis de laboratorio Los principales parmetros requeridos para la caracterizacin fisicoqumica delagua junto con la serie de normas y cdigos establecidos para ejecutar el anlisis delas mismas se muestran en la tabla 3.1 y la descripcin detallada de losprocedimientos analticos se detalla en el anexo A La fecha de realizacin de los anlisis de laboratorio coinciden con las fechascorrespondientes a la toma de muestras excepto porque estos se realizaron todos a las9 de la maana, cuyos resultados arrojados se expresan en la tabla 4.1 y anexo B. 74. 61 Tabla 3.1. Procedimientos analticos con sus respectivos cdigos,metodologa, equipos y materiales usados.ProcedimientoEquipos yCdigoMetodologaAnliticomaterialesDeterminacin LB-MAGU-SMpHmetro Metrohm con electrodode pH 0014500-H+Bde vidrio, beaker de 100mlDeterminacinespectrofotmetro de absorcinLB-MAGU-de durezaA.S.T.MD- atmica, cabezal del quemador,003(mg/l CaCO3)1126lmpara de ctodo hueco de sodioDeterminacin Espectrofotmetro de absorcinLB-MAGU-A.P.H.A de hierro atmica, cabezal del quemador,014 (mg/l Fe) 3500-FeD lmpara de ctodo hueco de sodioEspectrofotmetro ShimadzuUV/visible, celdas de 1 y 5 cm, balones deDeterminacin polietileno(100ml),cilindrosde A.S.T.MD- graduadosLB-MAGU- slice (ppm) 589 de polietileno(50ml), pipetas007aforadasde 1 y 2 ml,pipetas volumtricas de(1,2,5,10,20 y 50ml),papel defiltro 42Determinacin Conductimetro Metrohm, celdasde deLB-MAGU- A.S.T.MD-conductividad conductividad(0,76-0,79-002 1125(cm)0,084cm-1) y termmetro 75. 623.2 Proposicin de las posibles fuentes de agua de atemperacinPara la propuesta de las posibles fuentes de agua de atemperacin se procede ala identificacin y ubicacin de los principales equipos involucrados en el sistema dealmacenamiento y distribucin del agua usada como servicio industrial, mediante labsqueda de los documentos a travs de los cuales se establecieron los lineamientosde construccin de la unidad de servicios y de los diagrama de proceso einstrumentacin. Asimismo, con visitas de campo se constat la localizacin de losmismos y quedando as establecidas las opciones a estudiar en el presente proyecto,como se muestra en tabla 3.3. As como tambin se encuentran esquematizadas en lafigura 3.1. 76. 63 Condensado de turbina Condensado de procesos Unidades de amoniacoUnidades de amoniaco cw 24 12/22- V-321 cwT-702 Tanque de ag uaUnidades de urea Unidades de ureades mineralizada cw 11/21- V-110cw1 Vapor Hs 3Tren detratamiento de Agua cruda agua V-603Fuente actual de atemperacinFigura 3.1. Diagrama esquemtico de las posibles fuentes de agua deatemperacin.Donde:1: Salida de agua del tren de tratamiento de agua.2: Condensado de turbina de las unidades de amoniaco y urea. 77. 643: Vapor saturado de caldera.4: Condensado de proceso de las unidades de amoniaco y urea.3.2.1 Caracterizacin fisicoqumica del agua proveniente de las fuentespropuestasA las opciones propuesta, esquematizadas en la figura 3.1, se les realiz captacin demuestras. para la cual se ubicaron en campo los puntos de muestreo correspondientesa cada opcin propuesta mostrado e