7.1 ESQUEMA GENERAL DE LA PLANTA
7.5.2 TORRES DE ENFRIAMIENTO DE AGUA
7.5.2.2 TORRE DE ENFRIAMIENTO PARA LOS DEMÁS EQUIPOS
Diseño de una planta de bioetanol |
122 Altura de
torre
Ancho de torre
Relleno Potencia ventilador
Potencia bombeo agua
Potencia total consumida
6,5 m 10,25 m Láminas de
PVC
45 kW 37 kW 82 kW
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123 Tabla 7.8: distribución de caudales refrigerantes en las diferentes torres.
Nombre de la torre Corrientes que enfría
A Condensador torre de destilación azeotrópica Condensador torre recuperadora de solvente B Condensador torre de destilación extractiva.
Enfriamiento del solvente residuo de la torre recuperadora antes del ingreso a la torre extractiva
Enfriamiento del etanol
C Enfriamiento del jugo pre-fermentador.
Enfriamiento del agua para riego
7.5.2.2.1DISEÑODELATORREDEENFRIAMIENTO“A”
Como en el caso de la torre de enfriamiento del serpentín del fermentador, se asume una temperatura de salida del agua de 16°C y temperatura del aire de ingreso de 17,2°C, 61 % de humedad y una entalpía de 34 kJ/kg.
La temperatura de entrada del agua es 36 °C como se mencionó anteriormente. Para saber la relación (GS/L)Mínnima se debe tocar en el punto 2 de la curva de operación al equilibrio, como se explicó anteriormente. Para una temperatura de salida del agua de 36°C, el valor correspondiente de entalpía del aire saturado es de 140 kJ/kg. Con este valor, se calcula la relación (GS/L) mínima como
(GS/L)Mínnima = [4,18 kJ/ kgºC *(36ºC - 16ºC)] / (140 kJ/kg - 34 kJ/kg) (GS/L)Mínnima = 0,79
Análogamente al diseño de la torre anterior, se escoge la relación GS/L de 1,7 para la extrapolación del coeficiente de masa obtenido en la Planta Piloto.
Por lo tanto, se tiene un caudal másico de aire
GS= 1,7 * (1,033 *106 kg/h + 5,3*104 kg/h) = 1,846 *106 kg/h = 512,83 kg/s
Se calcula entonces la entalpía con la que sale el aire de la torre (suponiéndolo saturado) como
H2’= [L*CH2O*(tL2 - tL1)/GS] + H1’
H2’= [1,086*106 kg/h * 4,18 kJ/ kgºC * (36ºC - 16ºC) / 1,846*106 kg/h] + 34 kJ/kg H2’= 83 kJ/kg
Se toma el volumen del caudal de aire en el ingreso de la torre.
VH= 0,83 m3/ kg de aire seco
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124 Por lo tanto, el caudal volumétrico de gas es
QG = 1,53*106 m3/h
En la Figura 7.20 se observa el cálculo del NTOG de la torre, el cual se calcula con el procedimiento mencionado anteriormente.
Figura 7.20: cálculo del NTOG de la Torre “A”
Como se puede apreciar en la Figura 7.20 se cuenta con un NTOG de 2,4.
Para utilizar el valor de KY*a mencionado anteriormente, se debe tener un caudal de aire de 2,95 kg/s m2, por lo que se determina el área transversal necesaria para lograr este caudal ÁreaTorre = GS/ GS’ = 512,83 kg/s / 2,95 kg/s m2 = 173,8 m2
Como el área de la torre es cuadrada, LadoTorre= 13,18 m
Como se tiene un KY*a de 4,43 kg/m3 s y un GS’ de 2,95 kg/m2 s, se cuenta con un HTOG de 0,67 metros.
La altura del relleno entonces será ZRelleno = 2,4 * 0,67 m= 1,6 m
Se realiza la aproximación de la altura de la misma forma que la torre anterior, para un caudal de aire de 1.750.000 m3/h se tiene un “FH” de 3,8 metros, un “AH” de 2,4 metros y una separación entre los dispersores de agua y el relleno de 0,9 metros. Por lo tanto la altura total será
AlturaTorre = AlturaRelleno + AlturaIngreso aire + AlturaSeparación dispersores + AlturaTiro inducido
AlturaTorre = 1,6 m + 2,4 m + 0,9 m + 3,8 m =8,7 m
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125 Para el caudal volumétrico de aire mencionado, se tiene en la tabla de dimensiones de la referencia, una potencia de ventilador de 90 kW, por lo que se asume esta potencia consumida para el tiro necesario de aire.
En cuanto a la bomba de agua, se necesita impulsar 1086 m3/h fluido por 8,7 metros. Se cuenta para esto con la bomba “NK 250-350/318 A1-F-A-E-BAQE - 98737772“de Grundfos, cuyo catálogo se encuentra en el Anexo A.
Resumiendo las dimensiones y potencias de la torre:
Altura de torre
Ancho de torre
Relleno Potencia ventilador
Potencia bombeo agua
Potencia total consumida 8,7 m 13,18 m Láminas de
PVC
90 kW 54,5 kW 144,5 kW
7.5.2.2.2DISEÑODELATORREDEENFRIAMIENTO“B”
Se tienen las mismas temperaturas de agua de entrada y salida que la torre “A”. Por lo tanto, L = 7,15 * 105 kg/h + 1,11 * 105 kg/h + 3,44*104 kg/h = 8,6 *105 kg/h
El punto donde la curva de operación en 36°C toca la curva de equilibrio es análogo a la torre
“A”, por lo que la entalpía del aire saturado en este punto será 140 kJ/kg. Se posee entonces la misma relación (GS/L)Mínima de 0,79.
Se toma entonces la relación de GS/L de 1,7 como se explicó anteriormente para utilizar los datos del trabajo mencionado.
Se calcula entonces la cantidad de aire a utilizar
Gs= 1,7 *8,6 *105 kg/h =1,462 *106 kg/h = 406,11 kg/s
Se calcula la entalpía del aire saturado a la salida de la torre como H2’= [L*CH2O*(tL2 - tL1)/GS]+ H1’
H2’= [8,6*105 kg/h*4,18 kJ/ kgºC *(36ºC - 16ºC)/1,462*106 kg/h] +34 kJ/kg H2’=83 kJ/kg
Como se puede ver, es la misma entalpía que la torre “A”, ya que se utiliza la misma relación GS/L, la misma diferencia de temperatura del agua y la misma entalpía de ingreso del aire por el inferior de la torre. Por lo tanto, la curva de operación de la torre “B” será igual a la de la torre “A”, por lo que se cuenta con el mismo NTOG.
Se tiene el mismo volumen húmedo que en la torre anterior, por lo que VH = 0,83 m3/ kg de aire seco
QG = 1,213 *106 m3/h
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126 Para volver a utilizar la correlación mencionada, se utiliza un caudal de aire de 2,95 kg/s m2, por lo que se calcula el área transversal de la torre
ATorre = GS/GS’ = 406,11 kg/s /2,95 kg/s m2 = 137,7 m2 Tomando una sección transversal cuadrada
LadoTorre= 11,7 m
Se tiene el mismo HTOG que en las torres anteriores, por lo que la altura de relleno necesaria es
ZRellenno= 2,4 * 0,67 m= 1,6 m
Se utilizan los datos de la tabla de dimensiones de la referencia mencionada anteriormente correspondientes al caudal de aire de 1.750.000 kg/h ya que no se disponen datos para 1.400.000 kg/h y el valor inmediato inferior 1.200.000 kg/h. Se decide entonces usar el caudal inmediato superior en la dicha Tabla para tomar el criterio más riguroso y tener un margen de error. Por lo tanto, como se tienen las mismas alturas que la torre “A”, se tiene AlturaTorre = 8,7 m
Se tiene entonces un consumo del ventilador de 90 kW.
En cuanto al caudal del agua, se debe manejar un caudal de 860 m3/h y desarrollar una altura de 8,7 metros. Con la bomba “NK 250-350/266 A1-F-A-E-BAQE - 98737770”, que se muestra en el Anexo A, se cumplen estos requerimientos planteados.
En resumen Altura de torre
Ancho de torre
Relleno Potencia ventilador
Potencia bombeo agua
Potencia total consumida
8,7 m 11,7 m Láminas de
PVC
90 kW 35 kW 125 kW
7.5.2.2.3DISEÑODELATORREDEENFRIAMIENTO“C”
El caudal de agua que se tiene es
L = 6,84 * 105 kg/h + 3,49 *105 kg/h = 1,033 * 106 kg/h
Se tienen las mismas condiciones de temperatura del agua que en los casos A y B. El punto donde la curva de operación en 36°C toca la curva de equilibrio es análogo a la torre “A” y
“B”, por lo que la entalpía del aire saturado en este punto será 140 kJ/kg. Se posee entonces la misma relación (GS/L)Mínima de 0,79.
Se toma nuevamente la relación de GS/L de 1,7 como se explicó anteriormente para utilizar los datos del trabajo mencionado.
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127 El caudal de aire entonces es
GS= 1,7 * 1,033*106 kg/h = 1,756 *106 kg/h = 487,78 kg/s
Se tiene el mismo caudal de aire que en el caso de la torre “A”, por lo que las dimensiones de la torre y la potencia consumida por el ventilador serán iguales. También se tiene el mismo caudal de agua, por lo que la potencia de la bomba de agua será también análoga.
Por lo tanto
Altura de torre
Ancho de torre
Relleno Potencia ventilador
Potencia bombeo agua
Potencia total consumida 8,7 m 12,85 m Láminas de
PVC
90 kW 54,5 kW 144,5 kW
Por lo tanto, si se realiza la suma de las potencias consumidas por los ventiladores y las bombas del sistema total de refrigeración, se tiene que se consume una potencia de 496 kW.
Comparando este valor con el producido por el equipo industrial de refrigeración (13805 kW, valor calculado con bibliografía), se concluye que el uso de torres de enfriamiento para refrigeración en este caso es más económico que el equipo industrial a priori, ya que consume mucho menos de la energía del mismo.
Se debe colocar dos válvulas mariposa en cada torre de enfriamiento (una antes y después de cada bomba). Esto es así ya que se debe tener en cuenta posibles mantenimientos o reparaciones de las bombas, para lo que se debe sacar la misma de la línea y cortar el paso del fluido. Se elige el diámetro de bomba a partir del caudal a circular y velocidad recomendada en cañerías como se realizó en la Tabla 7.4. Para fluido pre-bomba se tomará una velocidad de 0,6 m/s y post-bomba 2,1 m/s. Además se cuenta con los siguientes caudales de agua:
Torre para serpentín de fermentadores: 6,53*105 kg de agua/h Torre A: 1,086*106 kg de agua/h
Torre B: 8,79*105 kg de agua/h Torre C: 1,033*106 kg de agua/h
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128 Tabla 7.9: diámetros de cañerías en las torres de enfriamiento.
Equipo Pre-bomba Post bomba
Torre serpentín
SCH 40 DN= 24 in
SCH 40 DN=14 Torre A SCH 40
DN=30 in
SCH 40 DN=16 in Torre B SCH 40
DN=30 in
SCH 40 DN 16 in Torre C SCH 40
DN=30 in
SCH 40 DN=16 in