Se representa a continuación un esquema del equipo, donde se reflejan las principales variables involucradas en el diseño del mismo: Q perdido

Transcripción

1 ANEXO 6. DISEÑO DEL POST QUEMADOR La corriente de gases de salida del separador ciclónico llega al post-uemador donde se produce una oxidación térmica de los gases entrantes con la ayuda de un uemador auxiliar de gas natural con las mismas características ue el usado en el desorbedor. El proceso se obtiene mediante el aporte de altas temperaturas y la introducción de oxígeno en exceso, de modo ue los contaminantes volatilizados se transformen en CO y vapor de agua. El diseño de este euipo consiste en determinar el caudal volumétrico de gas natural y aire necesarios para llevar a cabo el aporte de energía reuerido para el proceso de oxidación de los contaminantes desorbidos, además de calcular la longitud y la altura del post-uemador. Se representa a continuación un esuema del euipo, donde se reflejan las principales variables involucradas en el diseño del mismo: Q perdido m g, T G T G m g, m p Q GN T GN Post - uemador D H Q a T a donde, - m g, : es el caudal másico (en kg/h) de entrada de los gases al post-uemador, es decir, la suma de los caudales másicos de oxígeno, nitrógeno, anhídrido carbónico, vapor de agua e hidrocarburos desorbidos en el horno rotativo. Sergio Hurtado Melo 05

2 - m p : es el caudal másico (en kg/h) de partículas en suspensión en la corriente de gases de entrada y salida en el post-uemador, es decir, son las partículas no retenidas en el separador ciclónico. - m g, : es el caudal másico (en kg/h) de salida de los gases del post-uemador (exento de hidrocarburos). - T G : es la temperatura (en ºC) de entrada de los gases al post-uemador. - T G : es la temperatura (en ºC) de salida de los gases del post-uemador. - Q perdido : es el calor o energía (en kw) perdido a través de las paredes del euipo. - Q GN : es el caudal volumétrico (en Nm 3 /h) de entrada de gas natural necesario para la oxidación térmica del caudal de gases. - Q aire : es el caudal volumétrico (en Nm 3 /h) de aire de entrada necesario para formar la llama en el uemador. - T GN, T a : temperatura (en ºC) de entrada del gas natural y aire, respectivamente. - D : diámetro (en m) de la sección transversal del post-uemador. - H : altura (en m) del post-uemador. El diseño del euipo, como se ha dicho anteriormente, consiste en calcular las variables Q GN, Q aire, L y H. El resto de variables son conocidas, cuyos valores se detallan a continuación, además de algunas especificaciones necesarias para el proceso de cálculo: - El caudal de gases de entrada al post-uemador (m g ) se tiene del diseño del desorbedor, cuyo valor es m g = 7670,90 (kg/h). - La temperatura de entrada al post-uemador (T G ) también es sabida, ya ue se todos los conductos desde la salida del desorbedor (incluido el separador ciclónico) hasta la entrada del post-uemador han de estar aislados para ue no se produzca una perdida de energía, ya ue de lo contrario toda la energía ue se pueda perder en el camino se tiene ue restituir uemando más gas natural, idea económicamente menos favorable. Por tanto, aislando los conductos hasta Sergio Hurtado Melo 06

3 la entrada del post-uemador se toma ue la temperatura de entrada al euipo es de unos 50 ºC por debajo de la temperatura de salida del desorbedor, es decir, T G = = 340 ºC. Probablemente realizando el cálculo de pérdidas de calor por convención natural se obtenga un resultado más favorable, es decir, ue se pierda menos energía. Sin embargo, la suposición de un descenso de la temperatura de 50 ºC es adecuada desde un punto de vista conservador. - Se toman unas pérdidas de energía a través de las paredes del euipo del 0 % de la energía global aportada por la combustión del gas natural y en menor medida de los hidrocarburos desorbidos presentes en la corriente de gases, como se verá en el proceso de cálculo. - Las temperaturas de entrada del gas natural y el aire necesarios se toman iguales a la temperatura ambiente, por tanto, T GN = T a = 5 ºC. - El caudal de partículas en suspensión a la salida del separador ciclónico ue llega al postuemador se puede calcular ya ue se sabe la eficiencia del separador, la cual es de un,44 %, por tanto el caudal de partículas en suspensión es de m p = 950 (-0,44) = 746,3 (kg/h). - La velocidad del gas de diseño se controla a través de la selección de una óptima relación entre la longitud y el diámetro del post-uemador. El valor de esta velocidad varía, según bibliografía, entre 9, 0,7 (m/s), por tanto, se toma un valor intermedio de v gas = 5 (m/s). - Se toman una serie de especificaciones, al tratarse de un proceso de oxidación térmica, ue son: A la salida del euipo debe haber un 6 % de oxígeno como mínimo. La temperatura de salida de los gases debe de ser de 850 ºC como mínimo, por tanto se toma una T G = 850 ºC. El tiempo de residencia de los gases en el post-uemador debe de ser de al menos segundos, por tanto, t R (s). Sergio Hurtado Melo 07

4 Diseño del post-uemador: Se toma como punto de partida ue se consumen Z kmol/h de combustible (gas natural) con Y kmol/h de aire, además de considerar de ue el gas natural está compuesto en su mayor parte por metano y etano en un 75 % (v/v) y un 5 % (v/v), respectivamente. Por tanto: x CH 4 = 0,75 x C H 6 = x CH 4 = 0,75 = 0,5 Las reacciones ue se llevan a cabo en el proceso son: ( ) (R) : 0,75 Z CH 4 + O CO + H O (v) (R) : 0,5 Z C H O CO + 3 H O (v) (R3) : kmol /h) i C n H m + n + m O 4 n CO + m H O (v ) De la expresión R3 se obtienen 6 reacciones, una para cada hidrocarburo desorbido presente en la corriente gaseosa de entrada al post-uemador, donde kmol/h) i es el caudal molar de cada uno. Estos caudales se detallan en la siguiente tabla: Fórmula Peso Molecular Concentración (mg/kg ss) m (kg/h) Kmol/h x i Benceno C 6 H ,09 0, , Tolueno C 7 H ,48 0, ,56764 Etilbenceno C 8 H ,85 0, , o-xileno C 8 H ,900 0, , Naftaleno C 0 H ,43 0,0038 0, Fenantreno C 4 H ,570 0, ,0697 0, Sergio Hurtado Melo 08

5 Las 6 reacciones uedarían de la siguiente forma: kmol /h) Benceno C 6 H O 6 CO + 3 H O (v ) ( ) kmol /h) Tolueno C 7 H O 7 CO + 4 H O (v ) kmol /h) Etilbenceno C 8 H 0 + O 8 CO + 5 H O (v) kmol /h) o Xileno C 8 H 0 + O 8 CO + 5 H O (v) ( ) ( ) kmol /h Naftaleno C 0 H 8 + O 0 CO + 4 H O (v) kmol /h) Fenantreno C 4 H 0 +9 O 4 CO +0 H O (v) Se realiza un balance de materia global (en kmol/h) donde al caudal de gas de entrada (denotado con el superíndice ) de cada componente se le suma el caudal de gas producido en el uemador (denotado con el superíndice ) según las reacciones R y R y se le resta (en el caso del oxígeno) o suma (en el caso del nitrógeno, anhídrido carbónico y vapor de agua) el caudal producido o consumido según la reacción R3, obteniendo de esta forma para cada componente el caudal gaseoso de salida (denotado con el superíndice ): *kmol /h) O = kmol /h) O + kmol /h) O + kmol /h) o Xileno + kmol /h) Naftaleno +9 kmol /h) Fenantreno ] *kmol /h) N *kmol /h) CO = kmol /h) N = kmol /h) CO + kmol) N + kmol /h) CO +8 kmol /h) o Xileno +0 kmol /h) Naftaleno +4 kmol /h) Fenantreno ] *kmol /h) H O = kmol /h) H O + kmol /h) H O +5 kmol /h) o Xileno + 4 kmol /h) Naftaleno +0 kmol /h) Fenantreno ] [ 5 kmol /h) Benceno + 9 kmol /h) Tolueno + kmol /h) Etilbenceno + +[6 kmol /h) Benceno + 7 kmol /h) Tolueno + 8 kmol /h) Etilbenceno + +[3 kmol /h) Benceno + 4 kmol /h) Tolueno + 5 kmol /h) Etilbenceno + donde, kmol /h) O = 0, Y 0,75 Z 7 0,5 Z kmol /h) N kmol /h) CO kmol /h) H O = 0,79 Y = 0,75 Z + 0,5 Z =,5 Z = 0,75 Z + 3 0,5 Z =,5 Z Sergio Hurtado Melo 09

6 Usando la especificación antes mencionada de ue a la salida del post-uemador el contenido del oxígeno debe de ser de un 6 % como mínimo, se plantea la siguiente ecuación: %O 6 kmol /h) O + kmol /h) N kmol /h) O + kmol /h) CO 0,06 + kmol /h) H O de esta especificación se obtiene una ecuación con dos variables, Z e Y, por lo ue se necesita otra ecuación para resolver el sistema. Esta ecuación se obtiene planteando el balance de energía, donde el calor liberado en la combustión del gas natural y en el proceso de oxidación de los hidrocarburos (teniendo en cuenta ue se produce un 0 % de pérdidas en el euipo), junto con la energía contenida en el caudal de gases de entrada ue provienen del separador ciclónico, se emplea en calentar el caudal gaseoso total de salida desde 5 ºC hasta la temperatura de salida T G, la cual ha de ser como mínimo de 850 ºC, y las partículas sólidas no retenidas en el ciclón desde la temperatura de entrada T G hasta la temperatura de salida T G. En balance, por tanto, ueda como sigue: 6 0,9 0,75 Z PCI CH 4 + 0,5 Z PCI C H 6 + kmol /h) i PCI i + (m g C p,g = (m g C p,g + m v C p,v ) (T G 5) + m p C p,s (T G T G ) i= + m v C p,v ) (T G 5) = donde, 6 i= kmol /h) i PCI i = kmol /h) Benceno PCI Benceno + kmol /h) Tolueno PCI Tolueno + kmol /h) Etilbeceno PCI Etilbenceno +kmol /h) o Xileno PCI o Xileno + kmol /h) Naftaleno PCI Nafteleno + kmol /h) Fenantreno PCI Fenantreno C p,gas y C p,gas son los calores específicos del gas a la entrada y a la salida, respectivamente, del post-uemador, calculados en cada caso como sigue: C p,gas C p,gas (kj /kg K) = C p,o (kj /kg K) = C p,o m O m O + C p,n m N m O + m N + C p,n m N m O + m N + C p,co m CO + m CO + C p,co m CO + m CO NOTA: Se recuerda ue el superíndice indica corriente de salida y no elevado al cuadrado. Sergio Hurtado Melo 0

7 De esta forma, se tiene un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas (Z e Y), cuyos valores resolviendo el sistema son: Z =,30 (kmol/h) Y = 45,35 (kmol/h) Sabiendo ue un kmol ocupa,4 m 3 en condiciones normales de presión y temperatura (Nm 3 ), se tiene ue: Q GN = 75,5 (Nm 3 /h) Q aire = 355,84 (Nm 3 /h) Para ultimar el diseño del post-uemador ueda calcular el diámetro y la altura correspondiente del euipo. El diámetro se calcula haciendo uso del dato de la velocidad de los gases a través del conducto de 5 (m/s), de esta forma se tiene ue: Q gases (m 3 /s) = v gas (m /s) A(m ) = v gas π D 4 D = 4 Q gases 5 π donde, - Q gases es el caudal de gases (en m 3 /s) ue atraviesa el euipo, el cual se calcula a partir del caudal másico de gases y de la densidad media ponderada de los mismos entre la temperatura de entrada (T G = 340 ºC) y la de salida (T G = 850 ºC) : Q gases = m gases (kg/h) ρ gases (kg/m 3 ) 3600 =,395(m3 /s) ρ gases = ρ gases(t G ) + ρ(t G ) ρ gases (T G ) = ρ gases (T G ) = = 0, ,305 = 0,43(kg /m 3 ) P PM gases 8,46 = R T G 0,08 ( ) = 0,559(kg /m3 ) P PM gases 8,46 = R T G 0,08 ( ) = 0,305(kg /m3 ) PM gases = PM O kmol /h) O + PM N kmol /h) N + PM CO kmol /h) CO + PM H O kmol /h) H O kmol /h) O + kmol /h) N + kmol /h) CO + kmol /h) H O = 8,03 Sergio Hurtado Melo

8 Por tanto, D = 4,070 5 π = 0,98(m) Haciendo uso de la especificación de ue el tiempo de residencia de los gases en el postuemador debe de ser de al menos segundos, es decir, t R (s), se calcula la altura del mismo. Se plantea la siguiente relación de la cual se despeja el valor de la altura H (en m): t R = V (m 3 ) Q gases (m 3 /s) = π D H H 8 Q gases 4 Q gases π D = 30(m) Por tanto, la altura del post-uemador debe ser de al menos 30 (m) para cumplir con la especificación del tiempo de residencia de los gases en el euipo. Sergio Hurtado Melo