DOCENTE: MG. LUIS G. GARCÍA BÁEZ

SECCIÓN : V-A

CLASE Nº 06

UNIVERSIDAD NACIONAL “SAN LUIS GONZAGA” DE ICA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

TRATAMIENTO DE AGUAS INDUSTRIALES

CALDEROS INDUSTRIALESCALDEROS INDUSTRIALES

1. 1. DEFINICIÓNDEFINICIÓN.-.- Recipiente cerrado donde la Recipiente cerrado donde la energía química almacenada en los combustibles se energía química almacenada en los combustibles se convierte en energía térmica (por combustión o convierte en energía térmica (por combustión o mediante electricidad) para transferirla a un fluido mediante electricidad) para transferirla a un fluido determinado.determinado.

- Se emplea para producir agua caliente, vapor - Se emplea para producir agua caliente, vapor saturado, vapor recalentado o calentar aceite saturado, vapor recalentado o calentar aceite térmico.térmico.

CALDERO PIROTUBULAR

2.2. ELEMENTOS DEL CALDEROELEMENTOS DEL CALDERO.- Los calderos, .- Los calderos, exceptuando los eléctricos, tienen 6 exceptuando los eléctricos, tienen 6 elementos básicos:elementos básicos:a) a) QuemadorQuemador: Aporta el combustible y el aire : Aporta el combustible y el aire de combustión (comburente), los mezcla y de combustión (comburente), los mezcla y produce la combustión.produce la combustión.(Mezcla: difusor dP > 0 P(Mezcla: difusor dP > 0 P22>P>P11 ). ).

b) b) Cámara de CombustiónCámara de Combustión.- (Horno).- (Horno) - También llamado hogar, es el espacio - También llamado hogar, es el espacio donde se donde se aloja la llama, es decir donde se produce aloja la llama, es decir donde se produce la la combustión, y se transmite calor por combustión, y se transmite calor por radiacion.radiacion.c) c) Sección de ConvecciónSección de Convección.-.- - Zona donde se transfiere el calor de los - Zona donde se transfiere el calor de los gases de gases de combustión al fluido, a través de las combustión al fluido, a través de las superficies superficies de calefacción (tubos).de calefacción (tubos).

d) d) ChimeneaChimenea.-.- - Por donde se eliminan los gases de - Por donde se eliminan los gases de combustióncombustión después de transferir calor al fluido. después de transferir calor al fluido. e) e) Ventiladores de aireVentiladores de aire.- De tiro forzado.- De tiro forzado - Proporcionan el aire de combustión y lo - Proporcionan el aire de combustión y lo impulsan a través del caldero, por medio de impulsan a través del caldero, por medio de una una

tobera que con el difusor del quemador, tobera que con el difusor del quemador, se logra se logra una mezcla adecuada de Aire - una mezcla adecuada de Aire - Combustible .Combustible . f) f) Instrumentaciones y controlesInstrumentaciones y controles.-.- - Permiten efectuar la operación con la - Permiten efectuar la operación con la mayor mayor seguridad y alcanzar mayores niveles de seguridad y alcanzar mayores niveles de eficiencia.eficiencia.

CALDEROS INDUSTRIALESCALDEROS INDUSTRIALES

ELEMENTOS:a) Quemadorb) Cámara de combustiónc) Sección de convecciónd) Chimenea.e) Ventiladoresf) Instrumentos y controles

3. 3. CAPACIDAD DE LOS CALDEROS.-CAPACIDAD DE LOS CALDEROS.-- Es la capacidad de producción de calor.- Es la capacidad de producción de calor.- Es la cantidad de vapor requerida para - Es la cantidad de vapor requerida para producir en producir en determinadas máquinas un horse power (HP) determinadas máquinas un horse power (HP) dede potencia.potencia.- 34,5 libras de vapor / hora, generan 1 HP de - 34,5 libras de vapor / hora, generan 1 HP de potencia en el caldero, producido desde potencia en el caldero, producido desde líquido líquido

saturado hasta vapor saturado (100ºC), lo saturado hasta vapor saturado (100ºC), lo que que

aproximadamente representa: 33475,35 aproximadamente representa: 33475,35 Btu/h:Btu/h:

Q = Q = ΔΔHHv v X HP X HP

ΔΔHHv v =h=hfg fg = 970,3 Btu / lb = 2257 KJ/Kg = = 970,3 Btu / lb = 2257 KJ/Kg = 40,79 KJ/mol40,79 KJ/mol

1 HP = 1 BHP = 34,5 lb vapor/h 1 HP = 1 BHP = 34,5 lb vapor/h (calderos (calderos pirotubulares)pirotubulares)

Q = 970,3 Btu/lb x 34,5 lb/h = 33475,35 Q = 970,3 Btu/lb x 34,5 lb/h = 33475,35 Btu/hBtu/h

Cantidad de vapor producido, W:Cantidad de vapor producido, W:

Reemplazando Reemplazando II II en en II : :

ΔHv

CF = h0 – hg

P X ΔHv W =

h0 - hg

W = P x CF

… ( I ) … ( II )

...( III )

W : libras de vapor / hora P : Potencia, HP ΔHv : Calor latente de vaporización, 970,3 Btu/lb h0 : Entalpía del agua de alimentación a las condiciones de

operación, Btu/ lb hg : Entalpía del vapor saturado, a la presión absoluta, Btu / libra

CF : Factor de corrección. Esta fórmula es reemplazada por el nomograma: HP vs libras de vapor / hora, permitiendo un cálculo rápido.

Problema de Aplicación Problema de Aplicación :: Un caldero pirotubular de 40 MUn caldero pirotubular de 40 M3 3 y 1200 BHP de y 1200 BHP de

potencia produce vapor saturado seco a 110 Psig de potencia produce vapor saturado seco a 110 Psig de presión manométrica. La temperatura del agua de presión manométrica. La temperatura del agua de alimentación es 208ºF y el caldero opera durante un alimentación es 208ºF y el caldero opera durante un turno de 12 horas.turno de 12 horas.a) ¿Cuántos Kg de vapor se producen por turno?a) ¿Cuántos Kg de vapor se producen por turno?b) ¿Cuántos KJ de energía se producen por turno?b) ¿Cuántos KJ de energía se producen por turno?c) ¿A qué temperatura sale el vapor del caldero?c) ¿A qué temperatura sale el vapor del caldero?

SoluciónSolución::Datos:Datos: Según nomogramaSegún nomograma::PPm m = 110 Psig a) = 110 Psig a) Kg de vapor producido por Kg de vapor producido por turno:turno:TTAAAA = 208ºF 1º) 110Psig vs 208ºF : = 208ºF 1º) 110Psig vs 208ºF :Potencia = 1200 BHP CF = 0,958Potencia = 1200 BHP CF = 0,958Turno = 12 horasTurno = 12 horas 2º) CF vs BHP(600): 2º) CF vs BHP(600):

lb vapor/h: 19600lb vapor/h: 19600Como el caldero es de 1200 BHP, entonces:Como el caldero es de 1200 BHP, entonces:

19600 x 2 = 39200 lb 19600 x 2 = 39200 lb vapor/ horavapor/ hora

Masa de vapor (Kg) y en 12 horas:Masa de vapor (Kg) y en 12 horas:39200 lb vapor/ hora x 1 Kg/2,2 lb x 12 horas39200 lb vapor/ hora x 1 Kg/2,2 lb x 12 horasMasa de vapor = 213818,18 Kg de vapor

b) b) Energía (KJ) producida por turnoEnergía (KJ) producida por turno::

Presión absoluta, PPresión absoluta, PAA= P= Pmm + P + Paa

PPAA= 110 Psig + 14,7 Psig.= 110 Psig + 14,7 Psig.

PPAA= 124,7 Psia= 124,7 Psia

En tablas termodinámicas de vapor saturado En tablas termodinámicas de vapor saturado de de

agua:agua: PPAA= 124,7 Psia= 124,7 Psia h hfgfg= 874 Btu/lb de vapor = 874 Btu/lb de vapor (entalpía o calor latente de vaporización)(entalpía o calor latente de vaporización)

En KJ/ Kg : 874 Btu/lb x 2,2 lb/Kg x 1,055x10En KJ/ Kg : 874 Btu/lb x 2,2 lb/Kg x 1,055x103 3 J/1Btu x J/1Btu x KJ/10KJ/1033JJ

= 2028,55 KJ/Kg de vapor.= 2028,55 KJ/Kg de vapor.

Energía por turno: 2028,55 KJ/Kg de vapor x 213818,18 Kg Energía por turno: 2028,55 KJ/Kg de vapor x 213818,18 Kg de vaporde vapor

= 433,74 x 106 KJ

C) Temperatura de salida del vapor, (ºC):C) Temperatura de salida del vapor, (ºC): En tablas termodinámicas de vapor En tablas termodinámicas de vapor saturado: saturado:

PPAA : 124,7 Psia : 124,7 Psia T(saturación): T(saturación): 344ºF= 173,3ºC344ºF= 173,3ºC

4) 4) CLASIFICACIÓN DE LOS CALDEROSCLASIFICACIÓN DE LOS CALDEROS.-.-- Los calderos se clasifican según diferentes - Los calderos se clasifican según diferentes criterios relacionados, así tenemos:criterios relacionados, así tenemos:A. A. Por la disposición de los fluídosPor la disposición de los fluídos:: a) Calderos pirotubulares (tubos al fuego) .a) Calderos pirotubulares (tubos al fuego) . b) Calderos acuotubulares (tubos al agua).b) Calderos acuotubulares (tubos al agua).B. B. Por la presión de trabajoPor la presión de trabajo:: a) Calderos de baja presión: P<280 Psiga) Calderos de baja presión: P<280 Psig b) Calderos de mediana presión: 280< P < b) Calderos de mediana presión: 280< P < 900 Psig900 Psig c) Calderos de alta presión: P> 900 Psigc) Calderos de alta presión: P> 900 Psig

C. C. Por el combustible empleadoPor el combustible empleado::

a) Calderos de carbón mineral.a) Calderos de carbón mineral.

b) Calderos de combustible líquido.b) Calderos de combustible líquido.

c) Calderos de combustible gaseoso.c) Calderos de combustible gaseoso.

d) Calderos de combustible especial (leña, d) Calderos de combustible especial (leña,

bagazo, etc. )bagazo, etc. )

e) Calderos mixtos.e) Calderos mixtos.

f) Calderos nucleares.f) Calderos nucleares.

D) D) Por el mecanismo de transmisión de Por el mecanismo de transmisión de calorcalor::

a) Calderos de convección.a) Calderos de convección.

b) Calderos de radiación.b) Calderos de radiación.

c) Calderos de radiación y convección.c) Calderos de radiación y convección.

5) 5) CALDEROS PIROTUBULARES (TUBOS DE CALDEROS PIROTUBULARES (TUBOS DE FUEGO O DE HUMO O IGNOTUBULARES).-FUEGO O DE HUMO O IGNOTUBULARES).-

- Los gases calientes producto de la combustión, - Los gases calientes producto de la combustión, fluyen por el interior de los tubos que son fluyen por el interior de los tubos que son sumergidos en agua dentro de un casco.sumergidos en agua dentro de un casco.

- Se construyen para presiones hasta de 280 Psig.- Se construyen para presiones hasta de 280 Psig. - Los tubos pueden disponerse en forma - Los tubos pueden disponerse en forma horizontal o vertical (calderas de agua caliente horizontal o vertical (calderas de agua caliente

para servicios residenciales, tipo Manning).para servicios residenciales, tipo Manning). - El caldero puede ser de dos, tres y cuatro pasos - El caldero puede ser de dos, tres y cuatro pasos (según las veces que los gases de combustión (según las veces que los gases de combustión atraviesen el caldero). atraviesen el caldero). - Los calderos más usados son los de tres y - Los calderos más usados son los de tres y cuatro pasos, debido a su mayor economía cuatro pasos, debido a su mayor economía calorífica.calorífica.

- El caldero pirotubular es el más popular y el más - El caldero pirotubular es el más popular y el más usado en la mayoría de plantas industriales.usado en la mayoría de plantas industriales.

6) 6) CALDEROS ACUOTUBULARES O DE TUBOS DECALDEROS ACUOTUBULARES O DE TUBOS DE AGUA.-AGUA.-- El agua circula por el interior de los tubos y los - El agua circula por el interior de los tubos y los gases calientes rodean a los mismos.gases calientes rodean a los mismos.- Se construyen para presiones superiores a los- Se construyen para presiones superiores a los

calderos pirotubulares.calderos pirotubulares.- Su capacidad varía en el rango entre 2x10- Su capacidad varía en el rango entre 2x1033 – – 1x101x1066 libras de vapor / hora.libras de vapor / hora.- Los calderos acuotubulares pueden ser de tubos - Los calderos acuotubulares pueden ser de tubos

rectos o de tubos curvados.rectos o de tubos curvados.- Se emplean para producir vapor de mayores - Se emplean para producir vapor de mayores

niveles de presión que los pirotubulares.niveles de presión que los pirotubulares.- Requieren más instrumentación y mayores - Requieren más instrumentación y mayores

controles que los pirotubulares.controles que los pirotubulares.

7. 7. PRESIÓN Y TEMPERATURA DE PRESIÓN Y TEMPERATURA DE TRABAJOTRABAJO.-.-- La elección de la presión más - La elección de la presión más conveniente para un caldero, depende del conveniente para un caldero, depende del tipo de vapor a suministrar:tipo de vapor a suministrar:a) Calderos destinados a suministrar a) Calderos destinados a suministrar vapor saturado para procesos de vapor saturado para procesos de calefacción.calefacción.b) Generadores de vapor recalentado b) Generadores de vapor recalentado para alimentar turbinas a contrapresión para alimentar turbinas a contrapresión y aprovechar el vapor de salida (vapor y aprovechar el vapor de salida (vapor saturado o L-V), para procesos de saturado o L-V), para procesos de calefacción.calefacción.c) Generadores de vapor recalentado c) Generadores de vapor recalentado para la producción de energía eléctrica para la producción de energía eléctrica en turbinas de condensación.en turbinas de condensación.

8. 8. VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE

CALDERAS PIROTUBULARES Y CALDERAS PIROTUBULARES Y ACUOTUBULARESACUOTUBULARESCALDERAS CALDERAS

ACUOTUBULARESACUOTUBULARESCALDERAS CALDERAS PIROTUBULARESPIROTUBULARES

Evaporación más rápida, Evaporación más rápida, debido a las pequeñas debido a las pequeñas cantidades de agua contenida cantidades de agua contenida en los tubos. Son afectados en los tubos. Son afectados por la diferencia de consumo por la diferencia de consumo de vapor y alimentación de de vapor y alimentación de agua.agua. La circulación de agua es La circulación de agua es deficiente, reduciendo de esta deficiente, reduciendo de esta manera la eficiencia.manera la eficiencia. Trabajan a mayores Trabajan a mayores presiones y se fabrican para presiones y se fabrican para grandes potencias.grandes potencias.

Contienen gran cantidad de Contienen gran cantidad de aguaagua

en el interior por lo que no son en el interior por lo que no son

muy afectados por la muy afectados por la diferencia diferencia

de consumo de vapor y de consumo de vapor y

alimentación de agua.alimentación de agua. Hay menor pérdida de calor Hay menor pérdida de calor por radiación porque los tubos por radiación porque los tubos se encuentran cubiertos de se encuentran cubiertos de agua (mayor eficiencia).agua (mayor eficiencia).Trabajan a menores Trabajan a menores presiones, pero son más presiones, pero son más grandes para una misma grandes para una misma capacidad.capacidad.

CALDERAS CALDERAS ACUOTUBULARESACUOTUBULARES

CALDERAS CALDERAS PIROTUBULARESPIROTUBULARES

Resisten grandes esfuerzos y Resisten grandes esfuerzos y de lento enfriamiento.de lento enfriamiento.Son más sensibles a las Son más sensibles a las incrustaciones (interior de los incrustaciones (interior de los tubos), por lo tanto el tubos), por lo tanto el mantenimiento es dificultoso.mantenimiento es dificultoso.Son más costosos.Son más costosos.Requieren más Requieren más instrumentación y mayores instrumentación y mayores controles.controles.La explosión queda limitada La explosión queda limitada generalmente a uno o varios generalmente a uno o varios tubos.tubos.

De rápido enfriamiento, por De rápido enfriamiento, por apertura de la cámara de apertura de la cámara de combustión.combustión.El mantenimiento es más El mantenimiento es más fácil (exterior de los tubos).fácil (exterior de los tubos).Son menos costosos.Son menos costosos.Requieren menos Requieren menos instrumentación y control.instrumentación y control.La explosión puede destruir La explosión puede destruir por completo el cuarto de por completo el cuarto de calderas, así como su calderas, así como su entorno.entorno.

9. 9. EFICIENCIA DE LAS CALDERASEFICIENCIA DE LAS CALDERAS.-.-

- Es la relación entre el calor transmitido al - Es la relación entre el calor transmitido al vapor y el calor aplicado.vapor y el calor aplicado.

- La eficiencia fluctúa entre el 60-90% - La eficiencia fluctúa entre el 60-90% (utilización del calor).(utilización del calor).

QQAA : Calor aplicado al equipo : Calor aplicado al equipo

QQVV: Calor del vapor: Calor del vapor

QA

E = x 100 QV

TABLA Nº 6.1.TABLA Nº 6.1.

EFICIENCIA DE CALDEROSEFICIENCIA DE CALDEROS

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE PIROTUBULARPIROTUBULAR

( 1000 HP)( 1000 HP)ACUOTUBULARACUOTUBULAR

( 956 HP )( 956 HP )

GAS NATURALGAS NATURAL

DIESEL 2DIESEL 2

RESIDUAL 6RESIDUAL 6

81,2 %81,2 %

84,7 %84,7 %

85,0 %85,0 %

78,5 %78,5 %

81,0 %81,0 %

81,4 %81,4 %

TABLA Nº 6.2.TABLA Nº 6.2.CONSUMO APROXIMADO DE COMBUSTIBLECONSUMO APROXIMADO DE COMBUSTIBLE

COMBUSTIBLCOMBUSTIBLEE

CONSUMOCONSUMO

( gal/ h x Hp )( gal/ h x Hp )PODERPODER

CALORÍFICOCALORÍFICO

( BTU / gal )( BTU / gal )

DIESEL 2DIESEL 2

RESIDUAL 6RESIDUAL 6

GAS GAS NATURALNATURAL

0,30,3

0,280,28

314314

140 000140 000

151 000151 000

134,0134,0

TABLA Nº 6.3TABLA Nº 6.3..

CARACTERÍSTICAS GENERALES DE CALDEROS CARACTERÍSTICAS GENERALES DE CALDEROS PIROTUBULARESPIROTUBULARES

POTENCIA POTENCIA

( HP )( HP )CAPACIDADCAPACIDAD

( lb vapor/hora )( lb vapor/hora )CONSUMO CONSUMO

D-2D-2

( ( gal/hora )gal/hora )

2020

5050

100100

500500

700700

690690

17251725

34503450

1725017250

2415024150

66

1515

3030

150150

210210

10. 10. FACTORES PRINCIPALES A CONSIDERAR FACTORES PRINCIPALES A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE CALDERAS.-EN LA SELECCIÓN DE CALDERAS.-- Cantidad requerida de vapor o agua - Cantidad requerida de vapor o agua caliente.caliente.- Presión, temperatura o clase de vapor que - Presión, temperatura o clase de vapor que se se necesita.necesita.- Previsión de necesidades futuras.- Previsión de necesidades futuras.- Agua de alimentación y combustible a - Agua de alimentación y combustible a utilizarse.utilizarse.

11. 11. ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA DE ESTÁNDARES DE CALIDAD DEL AGUA DE CALDEROSCALDEROS.- .- - Análisis : 01 vez por turno.- Análisis : 01 vez por turno.- Dureza (p.p.m. CaCO- Dureza (p.p.m. CaCO33): 0- 5,0 p.p.m.): 0- 5,0 p.p.m.- Alcalinidad parcial, P : 170-420 p.p.m.- Alcalinidad parcial, P : 170-420 p.p.m.- Alcalinidad total, M : 250-500 p.p.m.- Alcalinidad total, M : 250-500 p.p.m.

- Alcalinidad OH- Alcalinidad OH- - : 150-1000 p.p.m. = 2 P- M: 150-1000 p.p.m. = 2 P- M

- Sulfitos, SO- Sulfitos, SO33-2 -2 : 20 – 40 p.p.m.: 20 – 40 p.p.m.

- Fosfatos, PO- Fosfatos, PO44-3-3 : 15-25 p.p.m. : 15-25 p.p.m.

- Cloruros, Cl- Cloruros, Cl-- : 85 – 250 p.p.m. : 85 – 250 p.p.m.

- STD - STD ≤ 3500 p.p.m. (a veces hasta 5000 ≤ 3500 p.p.m. (a veces hasta 5000 p.p.m.).p.p.m.).

- PH = 10,5 – 12,0 (PH= 11)- PH = 10,5 – 12,0 (PH= 11)

TABLA Nº 6.4.

CONCENTRACIÓN DE STD EN EL AGUA DE CALDERAS

PRESIÓN DE PRESIÓN DE OPERACIÓN (Psi) OPERACIÓN (Psi)

STD MAXSTD MAX

(p.p.m.)(p.p.m.)

0-3000-300

301-450301-450

451-600451-600

601-750601-750

751-900751-900

901-1000901-1000

1001-15001001-1500

1501-20001501-2000

2001 a más2001 a más

35003500

30003000

25002500

20002000

15001500

12001200

10001000

750750

500500

12. 12. CANTIDAD DE SODA CÁUSTICA QUE SE CANTIDAD DE SODA CÁUSTICA QUE SE DEBE AÑADIR A CALDERA PARA OBTENER DEBE AÑADIR A CALDERA PARA OBTENER PH= 11.PH= 11.Problema:Problema:¿Qué cantidad de soda cáustica (Kg) de 92% de ¿Qué cantidad de soda cáustica (Kg) de 92% de pureza se deben añadir a un caldero de 53 Mpureza se deben añadir a un caldero de 53 M33, , para mantenerlo con para mantenerlo con

PH= 11 a la temperatura de líquido saturado.PH= 11 a la temperatura de líquido saturado.Use el método teórico y el método práctico Use el método teórico y el método práctico (laboratorio).(laboratorio).SOLUCIÓN:SOLUCIÓN:I. MÉTODO TEÓRICO:I. MÉTODO TEÓRICO:Cálculo de NaOH al 100% de pureza:Cálculo de NaOH al 100% de pureza: Datos:Datos: NaOH (Kg) = ?NaOH (Kg) = ? Volumen = 53 MVolumen = 53 M33

PH = 11PH = 11

Solución:Solución:

NaOHNaOH(aq) (aq) NaNa++(aq)(aq) + OH + OH--

(aq) (aq) (100%) (100%)

x x xx x x

[H[H++] [OH] [OH--] = 7,853 X 10] = 7,853 X 10-14-14 M M22 (Para temperaturas (Para temperaturas muy altas)muy altas)

7,853 X 107,853 X 10-14-14 M M22 [OH[OH--] = ] = … … (I)(I)

[H[H++] M] M

Cálculo de [HCálculo de [H++] ]

PH = - log [HPH = - log [H++] ]

11 = - log [H11 = - log [H++] ]

[H[H++] = 1,0 x 10] = 1,0 x 10-11-11MM

Reemplazando en ( Reemplazando en ( II ): ):

7,853 X 107,853 X 10-14-14 M M22 [OH[OH--] = ] = 1,0 x 10 1,0 x 10-11-11MM

NaOHNaOH(aq) (aq) NaNa++(aq)(aq) + OH + OH--

(aq) (aq) (100%)(100%) 7,853 x 107,853 x 10-3-3MM 7,853 x 107,853 x 10--

33MM

[OH-] = 7,853 x 10-3 M

NaOH = 7,853 x 10NaOH = 7,853 x 10-3-3 mol/L x 53 x 10 mol/L x 53 x 1033 L x 40 g/mol x L x 40 g/mol x

1Kg/101Kg/1033 g g

NaOH = 16,64 Kg (100% de pureza)NaOH = 16,64 Kg (100% de pureza)

Cálculo de NaOH al 92% de pureza:Cálculo de NaOH al 92% de pureza:

16,64 x 100% 16,64 x 100% NaOH =NaOH =

92%92%

NaOH = 18,0 KgNaOH = 18,0 Kg

II. II. MÉTODO PRÁCTICOMÉTODO PRÁCTICO: (LABORATORIO): (LABORATORIO)

Cálculo de NaOH al 100% de pureza:Cálculo de NaOH al 100% de pureza:1. Muestra: 250 mL agua de alimentación.1. Muestra: 250 mL agua de alimentación.2. Determinamos su PH (PH= 7,0), con potenciómetro.2. Determinamos su PH (PH= 7,0), con potenciómetro.3. Titulamos con solución NaOH 7,999 x 103. Titulamos con solución NaOH 7,999 x 10-2-2 N, N,

observando el aumento de PH, hasta llegar a observando el aumento de PH, hasta llegar a PH=11.PH=11.4. Anotamos el volumen gastado de solución de 4. Anotamos el volumen gastado de solución de NaOH (Ejem.: 22 mL) y determinamos el peso NaOH (Ejem.: 22 mL) y determinamos el peso (gramos) de NaOH, contenidos en 22 mL de la(gramos) de NaOH, contenidos en 22 mL de la

solución:solución:

N x V x MN x V x M W (g) = W (g) = N : Normalidad, Eq-g / LN : Normalidad, Eq-g / L

nº OHnº OH-- V : Volumen gastado de NaOHV : Volumen gastado de NaOH M : Peso MolecularM : Peso Molecular

7,999 x 107,999 x 10-2-2 Eq-g 0,022 L 40 g mol Eq-g 0,022 L 40 g mol

W(g) =W(g) = x x x x x x L mol Eq-g x L mol Eq-g x

OHOH--

W = 0,07039 g NaOH : Contenidos en 22 mL de W = 0,07039 g NaOH : Contenidos en 22 mL de soluciónsolución

de NaOH y que se añadió a de NaOH y que se añadió a 250mL250mL

de agua de alimentación para de agua de alimentación para obtener PH=11obtener PH=11

para volumen de 53 Mpara volumen de 53 M33 = 53000 L: = 53000 L:

0,07039 g NaOH x 53000 L0,07039 g NaOH x 53000 LW = W =

0,250 L0,250 L

W = 14922, 68 gW = 14922, 68 g

W = 15 Kg NaOH (100%)W = 15 Kg NaOH (100%)

Cálculo de NaOH al 92% de pureza:Cálculo de NaOH al 92% de pureza:

15 Kg x 100%15 Kg x 100%NaOH = NaOH =

92%92%

NaOH = 16,30 KgNaOH = 16,30 Kg

13. 13. EL VAPOR SATURADOEL VAPOR SATURADO.-.-

- Considerado como agente calefactor es - Considerado como agente calefactor es simplemente un transportador de calor. simplemente un transportador de calor.

- El calor inicialmente contenido en el - El calor inicialmente contenido en el combustible (R-6 : 151000 BTU/gal) es combustible (R-6 : 151000 BTU/gal) es cedido al agua para elevar su temperatura cedido al agua para elevar su temperatura ( calor sensible) y luego vaporizarse (calor ( calor sensible) y luego vaporizarse (calor latente).latente).

- El vapor contiene calor que depende de su - El vapor contiene calor que depende de su presión y temperatura. presión y temperatura.

Elección de la presión para suministrar Elección de la presión para suministrar vapor saturadovapor saturado

- La elección es inmediata.- La elección es inmediata.

- - El vapor saturado es un buen agente de El vapor saturado es un buen agente de calefacción.calefacción.

- Los vapores tienen características similares a - Los vapores tienen características similares a los gases cuando son secos y sobrecalentados los gases cuando son secos y sobrecalentados (más próximos de la temperatura y presión (más próximos de la temperatura y presión crítica), y su coeficiente de transmisión de crítica), y su coeficiente de transmisión de calor es muy pequeño.calor es muy pequeño.

- Un buen intercambiador de calor calienta un - Un buen intercambiador de calor calienta un fluído a una temperatura aproximada de 10 a fluído a una temperatura aproximada de 10 a 15ºC por debajo de la temperatura del vapor 15ºC por debajo de la temperatura del vapor calefactor.calefactor.

- Por medio de las tablas termodinámicas de - Por medio de las tablas termodinámicas de vapor saturado de presión-temperatura, se vapor saturado de presión-temperatura, se determina la presión a la cual se tendrá que determina la presión a la cual se tendrá que producir el vapor saturado, para alcanzar tal producir el vapor saturado, para alcanzar tal temperatura.temperatura.

- El vapor saturado se utiliza como agente de El vapor saturado se utiliza como agente de transmisión de calor hasta temperaturas de transmisión de calor hasta temperaturas de unos 200ºC aproximadamente, lo que supone unos 200ºC aproximadamente, lo que supone presiones del orden de unas 18 Atm. Por presiones del orden de unas 18 Atm. Por encima de estas presiones, su utilización suele encima de estas presiones, su utilización suele ser prohibida (supone tuberías y aparatos muy ser prohibida (supone tuberías y aparatos muy robustos y uso de fluídos portacalóricos y robustos y uso de fluídos portacalóricos y aceites témicos).aceites témicos).

Ventajas del uso de vaporVentajas del uso de vapor

En la mayoría de operaciones y/o procesos el En la mayoría de operaciones y/o procesos el uso de vapor presenta muchas ventajas uso de vapor presenta muchas ventajas respecto a otros fluídos caloportadores, entre respecto a otros fluídos caloportadores, entre ellas tenemos:ellas tenemos:

- Se puede conducir fácilmente por tuberías, y - Se puede conducir fácilmente por tuberías, y es fácilmente controlable en presión y es fácilmente controlable en presión y temperatura.temperatura.

- Es capaz de ceder la mayor parte de su - Es capaz de ceder la mayor parte de su contenido energético a una temperatura contenido energético a una temperatura constante y bien definida, que es su constante y bien definida, que es su temperatura de condensación (punto de temperatura de condensación (punto de rocío).rocío).

- El vapor se obtiene a partir de agua que es - El vapor se obtiene a partir de agua que es abundante y barata, y no es peligrosa.abundante y barata, y no es peligrosa.

-El vapor de agua cede una cantidad de calor -El vapor de agua cede una cantidad de calor por unidad de masa, mucho mayor que la por unidad de masa, mucho mayor que la que puede ceder cualquier otra sustancia que puede ceder cualquier otra sustancia (aprox. 540 Kcal/Kg)= 2257 KJ/Kg= (aprox. 540 Kcal/Kg)= 2257 KJ/Kg= 40,79KJ/mol).40,79KJ/mol).

- El vapor se puede utilizar tanto como medio - El vapor se puede utilizar tanto como medio calefactor (vapor saturado), como para calefactor (vapor saturado), como para producir energía mecánica, expansionándolo producir energía mecánica, expansionándolo a través de una turbina. a través de una turbina.

TABLA Nº 6.5.

COMPARACIÓN DE LOS CALORES CONTENIDOS POR UN KG DE AGUA EN LAS FASES LÍQUIDO Y VAPOR

EESSTTAADDOO

PRESIÓN PRESIÓN ABS.ABS.

(Kg/cm(Kg/cm22))

TEMP.TEMP.

( ºC)( ºC)CONTENIDO CONTENIDO CALOR CALOR (Kcal/Kg)(Kcal/Kg)

DIFEREDIFERENCIANCIA

hhfgfg= h= hgg--hhff

(Kcal/(Kcal/Kg)Kg)

RELARELA

CIÓNCIÓN

hhgg / h / hff

RELARELA

CIÓN CIÓN

hhfgfg / h / hff

LíquidoLíquido,,

hhff

( Q( Qss ) )

Vapor,Vapor,

hhgg

( Q( QTT ) )

11

22

33

44

55

66

11

2020

5050

7070

100100

200200

99,8999,89

211,3211,388

262,7262,700

284,4284,488

309,5309,533

364,0364,088

99,1299,12

215,2215,2

274,2274,2

300,9300,9

334,0334,0

431,5431,5

638,5638,5

668,5668,5

667,3667,3

662,1662,1

651,1651,1

582,3582,3

539,38539,38

453,30453,30

393,10393,10

361,20361,20

317,10317,10

150,80150,80

6,446,44

3,113,11

2,432,43

2,332,33

1,951,95

1,351,35

5,445,44

2,102,10

1,431,43

1,201,20

0,950,95

0,350,35

77 225,65225,65

(Pc)(Pc)374,1374,1

55

( Tc)( Tc)

501,5501,5 501,5501,5 0,00,0 1,001,00 0,00,0

A igualdad de masa, a la misma T y P, el contenido energético del vapor (hg) es notablemente mayor al del líquido (hf), hasta temperaturas cercanas a 200ºC y 20

Kg/cm2 de presión absoluta (284,6 Psia o 270 Psig).

Calidad del vapor.Calidad del vapor.Existen tres factores que resultan Existen tres factores que resultan determinantes para juzgar la calidad del determinantes para juzgar la calidad del vapor como agente calefactor:vapor como agente calefactor:- Su calor latente.- Su calor latente.- Su contenido de condensado.- Su contenido de condensado.- Presencia de aire.- Presencia de aire.a) a) Calor latente: Calor latente: - De acuerdo a la tabla Nº 6.5. al elevarse la - De acuerdo a la tabla Nº 6.5. al elevarse la temperatura disminuye la calidad del vapor temperatura disminuye la calidad del vapor como calefactor (disminuye el como calefactor (disminuye el hhfg fg y aumenta y aumenta el hel hff). ). -El vapor de mejor calidad será el que se -El vapor de mejor calidad será el que se encuentre completamente encuentre completamente seco y a la menor seco y a la menor temperaturatemperatura..

b) b) CondensadoCondensado::

- El vapor que abandona el caldero siempre - El vapor que abandona el caldero siempre arrastra algo de líquido y a medida que se arrastra algo de líquido y a medida que se autotransporta por tuberías, consume energía, autotransporta por tuberías, consume energía, disminuye su T y por lo tanto, algo de vapor se disminuye su T y por lo tanto, algo de vapor se condensa.condensa.

- Una capa de agua de 1 mm de espesor ofrece - Una capa de agua de 1 mm de espesor ofrece una resistencia al paso del calor, igual a la que una resistencia al paso del calor, igual a la que ofrece una pared de hierro de 10 cm de ofrece una pared de hierro de 10 cm de espesor.espesor.

- Solución: Trampas de vapor e inclinación de - Solución: Trampas de vapor e inclinación de líneas de proceso.líneas de proceso.

-Vapor seco: INVISIBLE.-Vapor seco: INVISIBLE.

Vapor húmedo: BLANCO (gotas de condensado)Vapor húmedo: BLANCO (gotas de condensado)

c) c) AireAire::

La presencia de aire en el vapor de La presencia de aire en el vapor de calefacción, disminuye la calidad del vapor, calefacción, disminuye la calidad del vapor, produciendo dos efectos: produciendo dos efectos:

PrimeroPrimero::

- Una película de aire propicia una - Una película de aire propicia una disminución en la transmisión de calor entre disminución en la transmisión de calor entre el vapor vivo y el material a calentar. el vapor vivo y el material a calentar.

- Una capa de aire de sólo 0,025 mm de - Una capa de aire de sólo 0,025 mm de espesor presenta una resistencia a la espesor presenta una resistencia a la transmisión de calor igual a la de una pared transmisión de calor igual a la de una pared de cobre de 30 cm de espesor.de cobre de 30 cm de espesor.

SegundoSegundo::

- El aire mezclado con el vapor no permite - El aire mezclado con el vapor no permite una lectura verdadera de la Pv en el una lectura verdadera de la Pv en el manómetro, debido a la mezcla de gases manómetro, debido a la mezcla de gases existentes, y por lo tanto la Ts solamente del existentes, y por lo tanto la Ts solamente del vapor es menor a la que correspondería a la vapor es menor a la que correspondería a la presión indicada en el manómetro presión indicada en el manómetro ( P( Pmm=P=Pvv+P+Paire aire ).).

- La lectura errónea en el manómetro, de la - La lectura errónea en el manómetro, de la presión del “vapor”, nos va a conducir a presión del “vapor”, nos va a conducir a obtener una temperatura de saturación obtener una temperatura de saturación también errónea en las tablas de vapor también errónea en las tablas de vapor respectivas.respectivas.

TABLA Nº 6.6.TABLA Nº 6.6.CALIDAD DE VAPORCALIDAD DE VAPOR

% DE AIRE EN PESO% DE AIRE EN PESO PÉRDIDA DE PÉRDIDA DE TRANSMISIÓN DE CALOR TRANSMISIÓN DE CALOR

(%)(%)

0,00,0

0,50,5

1,01,0

1,51,5

2,02,0

2,52,5

0,00,0

13,013,0

24,024,0

29,029,0

31,031,0

32,032,0