Capítulo I. Revisión Bibliográfica.
2.6 Cálculo del sistema de flujo
2.6.2 Transporte de fluidos compresibles
En el sistema analizado se manejan tanto fluidos incompresibles (desde el tanque hasta el vaporizador) como fluidos compresibles (resto del sistema), por lo que el balance de energía mecánico efectuado toma en consideración estos aspectos, a fin de definir las características del equipo de impulsión que debe colocarse a la entrada del reactor, para el cual debe garantizarse una presión de alimentación de 1atm pues el empleo de mayores presiones puede acarrear deficiencias de rendimientos por las características termodinámicas de la reacción. Es importante destacar que como aproximación se considera el flujo isotérmico.
El Balance de energía mecánico para flujo isotérmico puede representarse, según Rosabal, J.M. (1998), como: 0 Fp ρ G α ρ P P 2 m 2 m 1 2 − + ⋅ +∑ = (2.45) 2 m 2 ρ 2 G Ki D L f Fp ⋅ ⋅ ∑ + ⋅ = ∑ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ (2.46) turb turb f f K Ki
∑
∑
= (2.47) Las características fundamentales para el sistema desde el vaporizador hasta el Reformador se encuentran en las Tablas 1, 2 y 3 (Anexo 2.10).Para la selección del equipo de impulsión de los gases del calentador al reformador se realiza el BEM, los resultados se encuentran en la Tabla 2.12.
Tabla 2.12. Resultados del BEM.
Equipo Pentrada PSalida Unid.
Vaporizador 101325 100998.73 Pa Calentador 100310.54 100267.78 Pa Ventilador 97759.43 103937.72 Pa Reformador 101325 76804.35 Pa Como la 1.06 1.1 P P R S D
c= = < se emplea un ventilador con las características expuestas en el Anexo 2.11.
Conclusiones parciales:
1. El diámetro de partículas, diámetro de tubos y el número de tubos son los parámetros constructivos con mayor incidencia en el diseño, encontrándose una región de máximo para 2 <Dtub (plg) <2.5.
2. Los mejores resultados en cuanto a rendimiento y ahorro de etanol se obtienen con un reformador de 150 tubos, de 2 plg de diámetro, empleando pellets de 1 mm y operando a 10-2 g-min/cm3. En todo el rango explorado este prototipo mostró buen comportamiento y estabilidad.
3. Se dimensiona en un 100% el sistema hidráulico principal de la instalación, definiéndose la necesidad de emplear un ventilador centrífugo Modelo CMP- 820-2M en la entrada del reformador.
4. El equipamiento auxiliar para el proceso se diseña en su totalidad, sin embargo queda establecida la necesidad de simular de forma integrada la planta en toda su extensión a fin de obtener resultados más integradores.
Nomenclatura: Símbolos:
A: área de transferencia de calor, interior (i), media logarítmica (ml), exterior de los tubos (o), por coraza (s), de flujo por tubo (t) y receptora por tubo (1) (m2).
ae: fracción de energía del medio de calentamiento.
Cp: capacidad calorífica del gas (G), del componente puro (i), de la mezcla (m) y del vapor (v) (kJ/kgºC).
d: diámetro del agitador (m).
D: diámetro del tanque, carcaza (c), equivalente (e), exterior de la tubería (E), interior de la tubería (I), interior del tubo (i), nominal de la tubería (N), exterior del tubo (o), de partícula (p), de coraza (s) y de tubo (t) (m).
e: rugosidad.
E1: emisividad del Material de los tubos.
Eg: emisividad del medio de calentamiento. Esp: espaciado entre los tubos (m).
F: flujo de calor (J/m2).
F: flujo inicial de agua (INH2O), final de agua (H2O), inicial de etanol (INCH3CH2OH), final
de etanol (CH3CH2OH) y de productos (product), (mol/s).
FH2: flujo de hidrógeno (mol/s).
Fr: factor de reserva.
Ft: factor de corrección de la temperatura.
G: flujo másico superficial de gas (G), por los tubos (i), mezcla (m) y por la carcaza (s) (kg/m2s).
G: velocidad másica superficial en (g/cm2s, lb
m/ft2h, o Kg/m2s).
gc: factor de conversión = 32.174 (lbm.ft/s2.lbf) = 4.17x108 (lbm.ft/h2.lbf).
GS: superficie emisora (m2).
H: altura del líquido en el tanque (m). h: altura total del tanque (m).
h: coeficiente pelicular exterior (a) e interior (i) (W/m2ºC). h1: coeficiente local para la superficie de los tubos (W/m2 ºK).
hp: pérdidas de carga debido a las fricciones (m). I: intensidad de corriente (A).
i: reacción química.
j: especies químicas: (j=1 CH3CH3O, j=2 CH4, j=3 CO, j=4 H2, j=5 CO2, j=6 H2O, j=7
C).
Ke: constante de equilibrio.
Keff: conductividad térmica efectiva de la cama.
k: conductividad térmica de los gases (G), de los componentes puros (i), de la mezcla (m), del vapor (v) y del material (x) (W/mºK).
KN: número de potencia.
KB: constante de Steffan – Boltzman [5.67*10-8 (W/m2K4)].
kap: constante de reacción (mol/gcat-h atm9.52)
L: longitud de los tubos y de la carcaza (c), (m). LB: distancia entre los bafles adyacentes (m).
Mi: masa molecular de los componentes puros (g/mol).
MLDT: media logarítmica de la diferencia de temperatura (oC).
m: masa de los gases (G) y de la mezcla de Bioetanol – Agua (m) (kg/h). N: potencia de instalación, de arranque (a) y útil (útil) (kW).
n: velocidad de rotación del rodete (r.p.s). np: número de pases.
NA: flujo molar de etanol (kmol/s)
NB: número de bafles.
Nt: número de tubos. Nu: número de Nusselt.
P presión de succión de la bomba (s), de vapor de la mezcla (v), en la superficie del liquido (1) y en la entrada del vaporizador (2) (Pa).
P: presión del sistema (kPa o lb/ft2).
p: presión parcial de agua (A) y de etanol (E) (atm). Pc: potencia de la celda (W).
Pcm: presión crítica de la mezcla (kPa).
Pt: paso entre los tubos (plg).
Q: flujo volumetrico de agua (A), mezcla agua – etanol (ae) y de etanol (E) (m3/h).
Q: calor necesario en el calentador (c) y en el vaporizador (v) (kJ/h). Qcr: calor transferido por radiación + convección (W).
r (z,i): velocidad de la reacción (i) en la posición (z). r1: velocidad de reacción (mol/gcat-h)
r2, 3: velocidad de reacción (kmol/kgcat-s).
R: constante universal de los gases. Rae: relación molar agua – etanol.
Rd: coeficiente de obstrucción interior (i) y exterior (o) (m2ºC/W). Re: número de Reynolds.
Rem: criterio de Reynolds modificado.
SH: selectividad del catalizador por el hidrógeno.
Sm: área de flujo por la concha (m2). SNP: succión neta positiva.
T: temperatura del medio (a), media entre las superficie emisora y receptora (c), de gas (g), de la pared del tubo (p), pseudocrítica de la mezcla (sc), de la mezcla vaporizada (1), de referencia (11), del vapor saturado (1c), del condensado (1f), de los gases de combustión calientes (1G), de la mezcla caliente (2), de calculo (12), de los vapores de de la mezcla bioetanol – agua (2c), de alimentación de la mezcla bioetanol – agua (2f), de los gases fríos (2G), (ºC).
tR: tiempo de retención
( )
h .U: coeficiente total de transferencia de calor (D), para la coraza (C0) para tubos (0), (kJ/m2ºC h).
V: velocidad de succión de la bomba (s), a la altura del líquido en el tanque (1), a la entrada del vaporizador (2), (m/s).
V: voltaje de la pila, de la celda (c) e ideal de la pila (i) (V).
V: volumen del líquido en el tanque (L) y total del tanque (T), (m3).
Vr: velocidad de trabajo (m/s)
x: espesor de los tubos (m). YH2: rendimiento a hidrógeno.
yi: fracción mole del compuesto i.
Yproduct: rendimiento.
z: longitud del tubo (ft).
Z: nivel de succión de la bomba (s), del liquido en el recipiente (1) y a la entrada del vaporizador (2).
Símbolos griegos:
α(j,i): coeficiente estequiométrico de la especie (j) en la reacción (i). α: factor de corrección de Energía Cinética.
βi, Φi, fi: números adimensionales ε: porosidad.
ζ: eficiencia del motor.
η: Factor de efectividad.
ηcelda: eficiencia de la celda (%). θ: tiempo de residencia (g-min/cc).
λ: calor latente de cambio de fase del componente puro (i) y de la mezcla (m), (kJ/kg).
µ: viscosidad de la mezcla (m), del vapor tecnológico (v), de los gases de
combustión (G) a la temperatura media, a la temperatura de trabajo (b) y a la temperatura de la pared (w) (Pa-s).
ρ: densidad de los gases de combustión (G), de la mezcla (m), del vapor tecnológico (v), de referencia a T y P dadas (11) y de calculo (12) (Kg/m3).
Otros:
∆Hr (i): calor de reacción (i).
∆T: diferencia de temperatura que experimenta la mezcla de bioetanol – Agua (oC).