BALANCE ENERGTICO Y BALANCE MASICO DE UNA CALDERA___________________________________________________________________________ BALANCE ENERGTICO DE UNA CALDERA____________________________________________________________________________

UNIVERSIDAD ESTATAL PENINSULA DE SANTA ELENA

FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERIA

CARRERA DE INGENIERIA EN PETROLEO

TEMA: BALANCE ENERGTICO Y BALANCE MASICO EN UNA CALDERA

MATERIA: INGENIERIA DE GAS Y CRUDOS PESADOS

NOMBRE: GABRIEL RODRIGUEZ ROMERO

PROFESOR: ING. HERNAN POVEDA

CURSO: 5/2

----CONTENIDO--- BALANCE ENERGTICO EN CALDERAS

1. Introduccin.2. Objetivos.3. Funcionamiento de una caldera.4. Clasificaciones de calderas. 5. Transferencias de calor en hornos.6. Balance energtico en una caldera.7. Ejercicio de balance energtico en una caldera.8. Rendimiento energtico.9. Balance msico en una caldera 10. Ejercicio de balance msico en una caldera.11. Conclusin 12. Glosario13. Bibliografa

CALDERAS1. INTRODUCCIONUn calentador por combustin (fired heater) (en adelante horno) es un intercambiador de calor en el que el fluido de proceso fluye dentro de tubos y se calienta por radiacin procedente de una llama de combustin y por conveccin desde los gases calientes de esta. El objetivo de este tema es: 1.- Conocer los diferentes tipos de hornos y sus aplicaciones. 2.- Introducir las frmulas de diseo de hornos, contemplando los mecanismos de transmisin de calor, temperaturas de los gases, determinando las dimensiones de la tubera, volumen del horno y chimenea.2. OBJETIVOS1. Conocer el principio de funcionamiento de las calderas para identificar los flujos energticos tiles y las prdidas energticas.2. Realizar un balance energtico en una caldera, determinando la localizacin y magnitud de las prdidas energticas.3. La caldera es un equipo donde se transfiere la energa obtenida en la combustin de un combustible a un fluido de trabajo.

3. FUNCIONAMIENTO DE UNA CALDERA

Las calderas son dispositivos utilizados para calentar el agua o generar vapor a una presin superior a la atmosfrica. Las calderas se componen de un comportamiento donde se consume el combustible y otro donde el agua se convierte en vapor. Son instalaciones industriales que aplicando el calor de un combustible slido, liquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. La Mayora de las Calderas o Generadores de Vapor tienen muchas cosas en comn. Normalmente en el fondo est la cmara de combustin o el horno en donde es ms econmico introducir el combustible a travs del quemador en forma de flama. El quemador es controlado automticamente para pasar solamente el combustible necesario para mantener la presin en el vapor deseada. La flama o el calor son dirigidos o distribuido a las superficies de calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o serpentines. En algunos diseos el agua fluye a travs de los tubos o serpentines y el calor es aplicado por fuera, este diseo es llamado "Calderas de Tubo de Agua". En otros diseos de calderas, los tubos o fluxes estn sumergidos en el agua y el calor pasa en el interior de los tubos, estas son llamadas "Calderas de Tubos de Humo". Si el agua es sujeta tambin a contacto con el humo o gases calientes ms de una vez, la caldera es de doble, triple o mltiples pasos

El agua de alimentacin de las calderas debe ser bien tratada de lo contrario pudiera causar los siguientes problemas:1. Formacin de costra 2. Corrosin 3. Formacin de burbujas de aire 4. Adherencia del vapor al cilindro.

Por los daos que causa utilizar agua no tratada es que existe una unidad de tratamiento de las impurezas del agua la cual opera de la siguiente manera: Como ya se mencion el objetivo fundamental de esta unidad es reducir la dureza del agua de ro hasta cero por los daos que estos generan, con el objeto de utilizarla como agua de alimentacin de las calderas. Agua normalmente contiene una cierta cantidad de sales, entre las ms importantes para la utilizacin en la generacin del vapor se tienen: carbonato de calcio y carbonato de magnesio. Estas sales de no eliminarse antes de ser usada en las calderas pueden producir incrustaciones en los tubos. Las incrustaciones es la formacin de depsitos slidos y duros sobre la superficie interna de los tubos. Para evitar esta formacin en la planta de tratamiento de agua se tiene el proceso de suavizacin en caliente que consiste en la formacin de flculos producto de la reaccin de la cal con las sales y lodos que contiene el agua. Este proceso es llamado Termocirculador.Luego del proceso termocirculador, se filtra el agua en filtros de carbn y finalmente se efecta el intercambio inico en los suavizadores de zeolita, en donde se disminuye el contenido de carbonato de calcio hasta valores de cero, despus de esto el agua se almacena para alimentar las calderas segn la demanda de vapor.

Las calderas son los equipos encargados de generar el vapor necesario para la operacin de la refinera y el calentamiento de los tanques de almacenamiento.

El agua tratada se enva a un desaereador en donde se disminuye el contenido de oxgeno disuelto hasta valores muy bajos, luego se enva directamente a las calderas para la produccin de vapor. En relacin a tratamientos de agua para calderas, se ha estudiado ampliamente en el desarrollo de compuestos inorgnicos tales como:

fosfatos, sulfitos, aminas, etc., sin embargo todos estos compuestos se comportan exclusivamente como preventivos, esto significa que cuando una caldera ya se encuentra incrustada, estos productos evitarn que dicha incrustacin contine creciendo, pero la incrustacin formada no sufrir disminucin alguna (al contrario, tiende a aumentar cuando existen errores en la dosificacin) por tanto la desincrustacin se deber realizar manualmente o por medio de recirculacin de cidos, teniendo estricto control de niveles de pH, durezas, alcalinidad y otros parmetros recomendados por el suplidor de productos qumicos para el tratamiento interno del agua; en ambas opciones se tendr que parar el funcionamiento del equipo. Existen tambin otros procedimientos para el tratamiento del agua entre los cuales destacan los siguientes:

Destilacin: es un proceso de purificacin de agua de eficacia comprobada durante mucho tiempo en que el agua es tratada hasta que se evapora y el vapor se condensa y recoge. El equipo necesario no es muy caro, pero consume mucha energa. Adems las impurezas voltiles tales como el dixido de carbono, slice, amoniaco, y varios compuestos orgnicos pasaran el destilado.

Intercambio inico: el intercambio inico se utiliza en gran medida en los laboratorios para proporcionar agua purificada bajo demanda. Los des ionizadores de laboratorio incorporan cartuchos de lecho mixto de resina de intercambio inico que, o bien pasan a una estacin de regeneracin para su recarga cuando se agotan o bien se desecha.

Osmosis inversa: el objetivo de la osmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que est relativamente impura o salada. Esto se logra separar de este caudal de agua contaminada con sales, un caudal menor de agua pura. En este proceso se aplica presin que tiene ms alta concentracin de sales para forzar un caudal menor de agua pura.

Presiones en la caldera: La temperatura y la presin en la operacin de cada caldera definitivamente estn relacionada.

A presin atmosfrica normal el agua tiene un punto de ebullicin a 100C, a mayor presin el punto de ebullicin se incrementa, hasta alcanzar un mximo punto de ebullicin a 374oC a una presin de 3200 libras por pulgada2 (220.63 bar). Por encima de esta temperatura el agua no existe como lquido.

Capacidades de Caldera: Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que ellas pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta temperatura. Las calderas ms grandes producen 1000,000 de libras por hora o son catalogadas en base a 1 "caballo de fuerza" o "caballo vapor caldera" por cada 34.5 libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra definicin es 1 "caballo de fuerza" por cada 10 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de calentamiento en una caldera de tubos de humo.

4. CLASIFICACIN DE LAS CALDERASLas calderas pueden clasificarse atendiendo a varios criterios, Atendiendo a las necesidades energticas del proceso:- Calderas de agua caliente- Calderas de agua sobrecalentada- Calderas de vapor saturado- Calderas de vapor sobrecalentado- Calderas de fluido trmicoAtendiendo a la posicin relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustin:- Calderas Pirotubulares: Los humos calientes circulan por el interior de los tubos sumergidos en el fluido.- Calderas Acuotubulares: El fluido circula por el interior de los tubos sumergidos en una masa de humosOTRAS CLASIFICACIN DE LAS CALDERASClasificacin segn Norma UNE 9.002 (I)Por la transmisin del calor: De conveccin. De radiacin. De radiacin y conveccin.Por el combustible utilizado: De carbn (de parrilla mecnica o pulverizado). Para combustibles lquidos. Para combustibles gaseosos. Para combustibles especiales (lejas, resduos vegetales o agrcolas, etc.). Para combustibles variados (calderas policombustibles).

Por la presin de trabajo: Subcrticas: baja (p1 bar), media (1< p13 bar). Supercrticas.TIPOS DE CALENTADORES POR COMBUSTION.Normalmente los hornos se dividen en tres partes: Seccin radiante: Donde los tubos estn en presencia de la llama. En esta parte la transmisin de calor es por radiacin en un 80 % aprox y un 20 % por conveccin de la circulacin de gases calientes alrededor de los tubos. Seccin de conveccin: Los tubos estn fuera del alcance de la llama. Los gases caliente se direccionan a travs del paquete de tubos. El calor transmitido es por radiacin del CO2y H2O en los gases calientes adems del calor por conveccin. Los tubos estn equipados con aletas para mejorar las condiciones de transmisin de calor. Seccin de blindaje (shield):Las primeras filas de tubos del rea de conveccin son la zona de choque (shock) en ella los tubos no tienen aletas, reciben la misma cantidad de calor por ambos mecanismos.Podemos clasificarlos hornos en: TIPO DE CAJA O CABINA (BOX HEATERS) Tubos horizontales. Calentamiento simple Tubos horizontales. Calentamiento doble Tubos Verticales. Calentamiento doble

5. CLCULOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR EN HORNOSPara este clculo se siguen las siguientes etapas: 1.- Chequear el balance de calor. 2.- Fijar la temperatura de los gases en la chimenea o la eficiencia del horno 3.- Calcular el dimetro de tubo requerido y las dimensiones aproximadas del Horno.4.- Decidir las variables del horno a) Tipo de unidad b) Tipo de combustible c) Porcentaje de exceso de aire. d) Flujo de calor radiante. e) Numero de filas de tubos de choque.f) Se utiliza economizador? De qu tipo? 5.- Calcular la eficiencia del horno, el calor liberado, y los consumos de aire y combustible.6.- Estimar la transmisin de calor en la seccin radiante y la superficie radiante requerida. Obtener nmero de tubos necesarios. 7.- Esquematizar la forma aproximada de la seccin radiante y establecer las constantes para el procedimiento de Lobo-Evans. 8.- Resolver la ecuacin de Lobo-Evans para la transmisin de calor en zona radiante y comprobar si el flujo de energa radiante es el suficientemente prximo al deseado. Si no ajustar en nmero de tubo y volver a etapa 7. 9.- Estimar la temperatura del fluido entrante en la seccin radiante y la temperatura del gas en la seccin radiante. 10.- Fijar en nmero de tubos en una fila en la seccin de conveccin y calcular la velocidad msica del gas a travs de los tubos. Para los tubos de choque y para los tubos con aletas. 11.- Calcular la transmisin de calor en los tubos de choque y la temperatura del gas a la salida de estos. SE realizar por procedimiento de ensayo error. 12.- Repetir los clculos de transferencia de calor de etapa 10 para la zona de tubos con aletas. Es deseable fijar el nmero de tubos con aletas de la seccin de conveccin y resolver para una temperatura de salida de gas. En este caso la eficiencia del horno puede ser diferente al valor original de diseo. 13.- Disear el dimetro de chimenea y la altura si se emplea chimenea natural.

6. BALANCE DE ENERGA EN UNA CALDERASe denomina funcionamiento estable de un horno al que es repetitivo a lo largo del tiempo en cuanto a condiciones de trabajo, sin paradas o cambios importantes en el proceso, sobre todo de temperatura. En un horno continuo supone constancia en las cargas, temperaturas de regulacin de las diferentes zonas, velocidades de avance o tiempos de tratamiento constantes a lo largo de un periodo prolongado (campaa de trabajo) sin para-das durante la noche, fin de semana, etc. En un horno discontinuo, que opera por ciclos de enfriamiento del horno, dichos ciclos se repiten sucesivamente sin cambios en las cargas y temperaturas del proceso. Tiene importancia el calor almacenado en el revestimiento, del cual se pierde una parte en cada ciclo. En los hornos continuos de fusin, se mantienen constantes las temperaturas del proceso, siendo irrelevantes en el balance las prdidas de calor almacenado.En el balance de calor de una caldera se estable la siguiente igualdad:CALOR ENTRANTE = CALOR SALIENTEPara realizar el balance deberemos:- Establecer una temperatura de referencia (normalmente la temperatura ambiente)- Realizar un balance de masa- Considerar el PCI del combustibleA continuacin se describen los calores que toman parte en el balance de una caldera de vapor. Los clculos se refieren a la unidad de combustible:Calor entrante1. Calor sensible del combustible (Qc)Qc= Cc Tc (1)Dnde: Cc= Calor especfico del combustible [kcal/Ud. de combustible] Tc= Temperatura de precalentamiento del combustible [C] 2. Calor de combustin (Qco)Qco= PCI [kcal/Ud. de combustible] 3. Calor del aire de combustin (Qa)Qa= Ga Cpa t (2) Dnde: t = Diferencia de temperaturas del aire caliente y fro [C] Cpa= Calor especfico del aire [kcal/kg aire C] Se obtiene en la Tabla 23 Ga= [kg aire/ Ud. de combustible] Se obtiene de las Tablas de 1 a 5

4. Calor del fluido de entrada (Qfe)

Dnde:hfe= Entalpa del fluido de entrada [kcal/kg] Ca = caudal del agua de alimentacin a caldera (kg/h)b = consumo horario de combustibleCalor saliente1. Calor del fluido de salida (Qfs)

Dnde:hfs= Entalpa del fluido de salida (kcal/kg)Pv = Produccin de vapor (kg / h)b= consumo horario de combustible2. Calor de los humos (QH)Qgc= x [kg. humos/Ud. de combustible] y [kcal/kg humos] (3)El calor de los gases de combustin se muestra en las Tablas 11 y 12. Con l % de O2y CO2se obtiene el caudal de humos (x) expresado en kg de humos/Ud. De combustible. Con la temperatura de los humos, y en las mismas tablas, se encuentra la entalpa especfica de los humos (y) en kcal/kg humos.3. Calor por inquemados gaseosos (Qig) [% de prdidas sobre el PCI del combustible]Dnde:[O2] = Concentracin de O2en los humos (%) [CO] = Concentracin de CO en los humos (ppm) [CH] = Concentracin de CH en los humos (ppm)4. Inquemados slidos (Qis)Se calcula midiendo la opacidad mediante la escala Bacharach.

5. Calor por purgas (Qp) [Kcal/unidad de combustible] (5) Dnde:p = Caudal de purgas en kg/h.hp= Entalpa de la purga en kcal/kg purga y corresponde a la entalpa de lquido para la presin de generacin de vapor.b = Consumo horario de combustible.Para calcular la purga continua necesaria en una caldera hay que realizar un balance de los distintos componentes a controlar.

P a = A b + P b [kg/h]Dnde: P = Caudal de purga [kg/h] a = Salinidad total en la caldera [ppm]. Se mira en las tablas que se presentan a continuacin. b = Salinidad total en el agua de aportacin [ppm]. Se mide con el conductmetro. A = Caudal de agua de aportacin [kg/h] que es el caudal del vapor menos el caudal de condensados que se recuperan.

6. Calor por radiacin (Qr)El calor perdido por radiacin se calcula midiendo la temperatura y la superficie de la caldera, distinguiendo paredes verticales y horizontales hacia arriba y hacia abajo. En la Tabla 30 del Anexo se indican las prdidas expresadas en W/m2 (si multiplicamos por 0,86 las obtendremos en kcal/h m2). Al multiplicar por cada superficie se obtienen las prdidas kcal/h. Si b es el consumo horario de combustible, las prdidas por radiacin se obtendrn de la forma siguiente:

[Kcal/unidad de combustible] (6)Tambin puede emplearse la Tabla 31 para calcular las prdidas por radiacin en funcin de la produccin mxima del vapor y el ndice de carga.7. EJERCICIO DE BALANCE DE ENERGA EN UNA CALDERA:Balance energtico en una caldera de vapor de gas natural Una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.500 h/ao produce 20 t/h de vapor a 20 kg/cm2 y consume 13.000.000 Nm3/ao. La capacidad mxima de caldera es de 25 t/h. Se realiza una purga continua cuyo caudal es de 1.200 kg/h. El anlisis de la combustin revela los siguientes resultados:Datos:O2= 2%CO2= 11%CO = 500 ppmTHUMOS= 230 C

Se toma como referencia la temperatura ambiente de 20 C.Calor entrante:Se consideran una fuente de calor entrante o calor aportado.Calor de combustin, QcoQco = PCI = 9.000 kcal/Nm3De modo que el calor entrante o aportado es:Qentra =9.000 kcal/Nm3Calor saliente:Parte del calor aportado ser empleado en la generacin del vapor y otra parte se perder. Se consideran cuatro puntos de prdida de calor.

Calor de los humos, QHDe la Tabla 12 se obtiene: 15,5 kg/Nm3 62 kcal/kg

Por lo que, aplicando [3]:QH= 15,5 kg/Nm3 x 62 kcal/kg = 961 kcal/Nm3Calor por inquemadosSe obtiene de la frmula [4] y se considera [CO] = [CH]

Qig= 0,73% de 9.000 kcal/Nm3 = 65,7 kcal/Nm3Calor por purgas, QP De la Tabla 16 se obtiene la entalpa de la purga correspondiente a 20 kg/cm2hp= 215,9 kcal/kg

149,6 kcal/Nm3

Calor por radiacin, QrEl ndice de carga de la caldera es 20/25 = 0,8. De la Tabla 31 se obtiene que las prdidas por radiacin son del orden de 2,4% del calor aportado, por lo que:Qr= 0,024 9.000 = 216 kcal/Nm3

El balance queda de la siguiente forma:

8. RENDIMIENTO DE UNA CALDERAEl rendimiento de una caldera puede calcularse por dos mtodos: Mtodo directo

Dnde:PV= Produccin de vapor [kg/h]HV= Entalpa del vapor [kcal/kg]hfe= Entalpa del fluido de entrada [kcal/kg]b = Consumo de combustible [Ud. de combustible/h]PCI = Poder Calorfico Inferior del combustible [kcal/Ud. de combustible]Se observa que para poder calcular el rendimiento de la caldera por este mtodo ser necesario conocer la produccin horaria del vapor as como el con-sumo de combustible.EJERCICIO RENDIMIENTO ENERGTICO DE UNA CALDERA

Clculo del rendimiento en una caldera (mtodo directo) Tenemos una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/ao, pro-duce 6 t/h de vapor saturado a 7 kg/cm2 .El consumo anual de gas natural es de 3.850.000 Nm3 .El agua de alimentacin est a temperatura ambiente, 20C.Mtodo indirectoSi se desconoce la produccin de vapor o el consumo de combustible se apli-ca este mtodo, tambin conocido como mtodo de las prdidas separadas.De la Tabla 16 Se obtiene la entalpa del vapor saturado a 7 kg/cm2 659,5 kcal/kg

Mtodo indirectoSi se desconoce la produccin de vapor o el consumo de combustible se aplica este mtodo, tambin conocido como mtodo de las prdidas separadas.

Se estiman unas prdidas por purgas y por radiacin del 5% por lo que se tendr:Qpurgas+ Qradiacin= 0,05 9.000 = 450 kcal/Nm3

Como: QUTIL= QAPORTADO- QPERDIDAS

Siendo:QPERDIDAS= QHUMOS+ QINQUEMADOS+ QPURGAS+ QRADIACION [kcal/Ud. de combustible]QAPORTADO= PCI [kcal/ unidad de combustible]

Clculo del rendimiento en una caldera (mtodo indirecto) En una caldera de vapor de gas natural que trabaja 7.600 h/ao se obtiene vapor a 7 kg/cm2. El anlisis de la combustin revela los siguientes datos:O2= 3%CO2= 10%CO = 0 ppmTHUMOS= 185 CAplicando la frmula [3] vista en el balance de una caldera y segn tabla 12, se puede calcular:Qhumos= 16, 3 kg/Nm3 x 48,037 kcal/kg= 783 kcal/Nm3

Se estiman unas prdidas por purgas y por radiacin del 5% por lo que se ten-dr:Qpurgas+ Qradiacin= 0,05 9.000 = 450 kcal/Nm3

EJERCICIO DE BALANCE ENERGTICO EN UNA CALDERA:

1500 Kg/h de un fuel que contiene un 88% de C y un 12% en peso de H se queman en un horno dando un gas de chimenea que contiene CO2, O2, N2 y H2O, con la siguiente composicin molar en base seca:CO2: 13.1%, O2: 3.7 %, N2: 83.2%El aire y el fueloil entran al horno a 25C y el horno pierde por las paredes 4.5x106 kcal/h. Calcular:a) Los kmol de gas de chimeneas producidas.b) Los kmoles de agua de combustin en el gas de chimenea por cada 100 kmoles de gas de chimenea seco.c) El exceso de aire empleadod) La temperatura de salida de los gases de chimenea.

Datos:Calores especficos de los gases (kcal/kmol C): CO2: 10.2; O2: 7.3; N2: 7.9; H2O (v): 8.3Variacin entlpica de la reaccin a 25C: C + O2 => CO2 AH0=-94502 kcal/kmolEntalpa de formacin de H2O (1) a 25C: -68320 kcal/kmolCalor latente de vaporizacin del H2O a 25C: 10600 kcal/kmo

Desarrollo:Base de clculo: 100 kg de fuel-ol

Entrada fuel-ol:C = (88)/ (12) = 7.33 kmol H2= (12/2) = 6 kmol

Gas de chimenea:CO2 = 7.33 kmolH2O = 6 kmolBalance de carbono (kmoles): 7.33 = Y (0.131) => Y = 55.95 kmolesBalance de nitrgeno (koles): X (0.79) = Y (0.832) => X = 58.93 kmoles aireO2 = (0.21) (58.93) = 12.38 kmolesN2 = (0.79) (58.93) = 46.55 kmoles

Por lo tanto, la composicin del gas de chimenea queda: Compuesto

Base hmeda

Base seca

CO2

7.33

7.33

O2

(55.95)(0.037)=2.07

2.07

N2

(55.95)(0.832)=46.55

46.55

H2O

6

--

Total

61.95

55.95

a) (61.95) (1500/100) = 929.25 kmol/h gas de chimenea.b) (6) (100/55.95) = 10.72 kmol H2O/100 kmol gas chimenea seco.c) O2 terico = 7.33 + (6/2) = 10.33 kmoles < > (10.33)(100/21)=49.21 kmol aire % exceso = (58.93 - 49.21)/(49.21) x 100 = 19.75 %

Balance de energa: HProductos - HReactivos + Hreaccin = QHproductos = (7.33) (10.2) + (2.07) (7.3) + (46.55) (7.0) + (6.0) (8.3) (T- 25) + [(10600) (6)] = 465.53 (T - 25) + 63600 kcal /100 kg fueloilHreactivos = 0Hreaccin25C = (7.33) (-94502) + (6) (-68320) = - 1102620 kcal/100 kg fueloilQ = (-4.5 106) (100)/ (1500) = - 3 105 kcal/100 kg fueloil465.53 T - 11638.3 + 63600 - 1102620 = - 3.0 105T = 1612.5CT = 1612.5CT = 1612.5C

BALANCE MSICOS EN UNA CALDERA El balance de materia de un horno es una contabilidad exacta de todos los materiales que entran, salen, acumulan o se agotan en el curso de un intervalo de tiempo de operacin dado. Un balance de materia es de este modo una expresin de la ley de conservacin de la masa teniendo en cuenta aquellos trminos. La figura ilustra un sistema general para el cual debe hacerse un balance de materia, el cual en hornos que trabajan en estado estacionario, en los que no existe acumulacin de material y no se consideran los trminos de generacin y consumo, toma la forma de un balance ingreso salida: Entrada de masa/moles al horno = Salida de masa/moles del horno

Los problemas de balance de materias son aquellos en los que se pide determinar la masa de sustancias qumicas que se mezclan, se separan en varias fases o corrientes, o se combinan o transforman en otras, mantenindose invariantes dos principios fundamentales: El primero es el principio de conservacin de la materia que establece que la masa total del sistema no vara. Este principio puede extenderse tambin al caso de la conservacin de la masa de aquellas sustancias qumicas que no sufren reaccin qumica. El segundo principio es el de conservacin de los elementos qumicos que intervienen en el sistema y que se asocian en las diferentes molculas que constituyen las sustancias qumicas. Finalmente cuando en el sistema intervienen iones podramos aadir un tercer principio que sera el de electroneutralidad de cargas elctricas o de igualdad de cargas positivas y negativas.

Mtodo. En general para abordar un problema de balance de materia se pueden seguir los pasos que se sealan a continuacin: 1.- Interpretar adecuadamente el enunciado del problema. Conviene leer el problema varias veces para comprenderlo y asimilarlo bien. Tratar de identificar qu datos son conocidos y cules desconocidos. Si existe una o ms reacciones qumicas involucradas o por el contrario no hay ninguna. Si se conocen bien todas y cada una de las sustancias qumicas que intervienen (elementos qumicos y frmulas de las molculas) y que cambios pueden sufrir en las condiciones a que van a ser sometidas. Se presupone siempre que las condiciones son estacionarias, es decir, independientes del tiempo y que no existe acumulacin de masa en los equipos del proceso, de manera que la entrada de materia tiene que ser igual a la salida conservndose los principios que se indicaron ms arriba. Es preciso desarrollar el sentido comn y los conocimientos de qumica para aventurar hiptesis correctas como por ejemplo que en toda combustin de una sustancia orgnica a alta temperatura y con aire suficiente todo el carbono se convierte en dixido de carbono, todo el hidrgeno en agua, todo el azufre en anhdrido sulfuroso y todo el nitrgeno en nitrgeno molecular. Se considera por lo tanto, salvo indicacin expresa, despreciable la formacin de CO y de NOx. Existen una serie de datos implcitos que se consideran conocidos "a priori" como la composicin del aire (79% N2 y 21% O2) en el que se asimilan los gases inertes contenidos en el aire por simplificacin a nitrgeno. La ecuacin de estado de un gas perfecto PV = nRT, se supone vlida y general para cualquier gas, lo que permite que 1 mol de cualquier gas ocupe 22,414 litros en condiciones normales ( 1 atm y 0C o 273K). Tambin debe considerarse que toda composicin gaseosa se expresa habitualmente en % en volumen porque se suele analizar as, adems por lo sealado antes el % molar y el % volumtrico coinciden a cualquier presin y temperatura. 2.- Dibujar un diagrama de flujo En el que se representen las corrientes de entrada y salida por flechas y las operaciones o procesos como cajas rectangulares. En ellas tendrn lugar por ejemplo reacciones qumicas o procesos de mezcla o separacin con una o varias entradas y en general una o varias salidas a veces con distintas fases: lquida, slida o gaseosa. 3.- Colocar en el diagrama los datos conocidos y desconocidos. En las corrientes de entrada y salida del diagrama de flujo se identifican las sustancias qumicas, fases y se indican las composiciones en caso de ser conocidas y las cantidades de flujo de materia de las sustancias que sean datos en el problema. 4.- Colocar en las cajas del diagrama las reacciones ajustadas y rendimientos de operacin. En caso de existir una o varias reacciones se ajustarn y asignarn a los procesos correspondientes as como su rendimiento o eficiencia tanto para aqullas como para los procesos de separacin. 5.- Seleccionar una base sencilla para los clculos. Dado que en general las reacciones entre sustancias qumicas proceden en general de forma sencilla en moles (nmero de veces en que est contenido el peso molecular de la sustancia en gramos), resulta cmodo elegir 1 o 100 moles como referencia o bien 1 o 100 Kmol del reactante principal o del ms complejo si se conoce su composicin molar, como base de clculo. 6.- Inspeccionar el diagrama y leer de nuevo el enunciado. Conviene de nuevo identificar las sustancias qumicas y las corrientes del proceso y comprobar las composiciones y datos conocidos y desconocidos o sujetos a alguna condicin particular. Tcnicas de solucin. Enlazando con el mtodo anterior se seguiran los pasos siguientes: 7.- Desarrollar un balance de materias parcial o total Para cada elemento qumico o sustancia que no reacciona se puede establecer un balance que iguale la entrada a la salida. Para ello conviene empezar con las sustancias ms fciles, es decir, aquellas que estn en una sola fase o una corriente nica o bien que no reaccionen como sucede con los componentes inertes, cenizas etc. Por ejemplo el balance de nitrgeno en los procesos de combustin de hidrocarburos con aire, permite relacionar rpidamente las corrientes de entrada y salida. Aunque normalmente se puede plantear los balances de muchas maneras, una solucin muy frecuente es hacerlo como ecuacin matemtica por elemento qumico que iguale la suma de moles de entrada de cada sustancia que contenga el elemento en cuestin a la suma de moles de sustancias de salida que contengan dicho elemento, en ambos casos se afectar a cada sustancia de un factor dado por el nmero de veces que el elemento aparezca en la molcula. Cuando existe un exceso de reactante, puede ser conveniente calcular la cantidad que queda despus de la reaccin por diferencia entre el valor inicial y la cantidad que ha reaccionado de acuerdo con la estequiometra de las reacciones que tengan lugar. 8.- Resolucin del sistema de ecuaciones. El sistema de ecuaciones expresado por los balances elementales se resolver por los mtodos habituales de resolucin de sistemas de ecuaciones lneales (p.ej. mtodo de eliminacin de Gauss). 9.- Comprobar que la solucin es lgica y no hay errores. Mediante la realizacin de un balance global de materia se puede comprobar que las masas totales entrante y saliente son iguales. Esta condicin es redundante y combinacin lineal de la suma de todos los balances elementales pero puede servir de prueba de que no hay errores. As mismo conviene desconfiar de los resultados obtenidos muy pequeos o muy grandes. Resulta ms sencillo referirse al mtodo y tcnicas de solucin mediante un ejemplo.

EJERCICIO DE BALANCE DE MASICO DE UNA CALDERA:Se quema 1 Kmol de metano en un horno con un 20% de exceso de aire. Determinar la composicin de los humos en % base seca. 1.- El metano es un gas a temperatura ambiente, si se quema con aire suficiente se convierte en CO2 y H2O. En la salida que sern los humos aparecer por lo tanto CO2, H2O, N2 y O2 por haber aire excedente. No aparecer el metano CH4 porque la reaccin con aire suficiente se considera completa. El exceso se supone siempre sobre la cantidad estequiomtrica. 2, 3, 4.- Se dibuja el diagrama colocando datos y reacciones:

5, 6.- La base ms cmoda de clculo est en el enunciado y es 1 Kmol de CH4. 7.- Existe una condicin particular que liga el oxgeno estequiomtrico con el aire total que entra (exceso del 20%): Oxgeno estequiomtrico: 2 Kmol ya que la reaccin requiere 2 moles de oxgeno por mol de metano. Aire necesario de entrada: 2 x 1,2/0,21 Kmol. Resulta cmodo calcular el oxgeno que sale por diferencia entre el que entra y el que ha reaccionado: O2 a la salida Kmol = 2 x 1,2 - 2 = 0,4 Kmol. Balance de Carbono: A la entrada: CH4: 1 Kmol = CO2 a la salida. Por lo tanto CO2 = 1 Kmol. Balance de Nitrgeno: A la entrada 2 x 1,2 x 0,79/0,21 Kmol = N2 a la salida. Balance de Hidrgeno: A la entrada (1Kmol CH4) 4 = (H2O) 2 en salida H2O = 2 Kmol en la salida, aunque al pedir la composicin en base seca no es necesaria. 8.- La composicin molar queda: CO2: 1 x 100/(0,4 + 1 + 9,02) = 9,59 % N2: 9,02 x 100/(0,4 + 1 + 9,02) = 86,57 % O2: 0,4 x 100/(0,4 + 1 + 9,02) = 3,84 % 9.- Comprobacin: Masa a la entrada: 1 Kmol CH4 x 16 + 2,4 Kmol O2 x 32 + 2,4 x 0,79/0,21 Kmol N2 x 28 = 345,6 Kg. Masa a la salida: 1 Kmol CO2 x 44 + 2,4 x 0,79/0,21 Kmol N2 x 28 + 0,4 Kmol O2 x 32 + 2 Kmol H2O x 18 = 345,6 Kg El resultado es por consiguiente correcto.CONCLUSIN Se han desarrollado muchas calderas para satisfacer necesidades especiales, adems de las calderas para convertir la energa contenida en los combustibles convencionales carbn, combustleo y gas; en vapor para obtener potencia, calefaccin o utilizarlo en procesos , es indispensable las calderas, ya que de esta manera pueden absorber el calor generado en los quemadores y as cumplen una doble funcin; la primera es enfriar el quemador y tener mejores propiedades mecnicas y su segunda funcin es aprovechar este calor, pasando los tubos de agua que posteriormente entraran a la caldera.Con mucha certeza se puede decir que un ingeniero es un resolvedor de problemas. Por ello resulta esencial en la formacin de ingenieros intensificar y potenciar el hbito en la resolucin de problemas. Los estudiantes aprendemos a resolver problemas mediante la aplicacin de leyes fsicas y qumicas, usando mtodos y tcnicas sencillas y un poco de sentido comn. La prctica y perseverancia en la realizacin de muchos problemas desarrolla la destreza y experiencia necesarias para atacar y resolver otros con xito.

GLOSARIOPCI:Poder Calorfico Inferior del combustible.Alimentacin: Corriente de entrada a un proceso o una planta. Balance de materiales: (Mass balance). Para tomar en cuenta el flujo de material que entra y sale de un sistema, la forma generalizada de la ley de la conservacin de la materia se expresa como un balance de materiales que no es otra cosa ms que una contabilidad de flujos y cambios de masa en el inventario de masa del sistema, lo que indica que la acumulacin es igual a las entradas menos las salidas.

Balance energtico: (Energy balance). Cuenta en la que se muestra el conjunto de relaciones de equilibrio que contabiliza los flujos fsicos por los cuales la energa se produce, se intercambia con el exterior, se transforma, se consume, etc. todo esto calculado en una unidad comn, para un periodo determinado (generalmente un ao). Base seca: Se refiere a una mezcla exenta de agua. Generalmente se usa para indicar que en la composicin de una mezcla de sustancias qumicas en la que puede estar presente el agua, se excluye sta como si no existiera y no se analiza ni determina su proporcin en la mezcla. Biogs: Es el gas obtenido de la fermentacin anaerbica de residuos biomsicos. Generalmente se trata de metano.Composicin en peso: % en masa de cada sustancia qumica en una mezcla. (Gramos en 100 gramos)

Composicin molar: % en moles de cada sustancia qumica en una mezcla. (Moles en 100 moles) Composicin volumtrica: % en volumen de cada sustancia qumica en una mezcla. (Litros en 100 litros) Composicin elemental: % en peso de cada elemento qumico en una sustancia qumica o mezcla. Consumo especfico: Cantidad necesaria de una materia prima para obtener un producto final. Se suele expresar en Kg por Kg o Kg por tonelada de producto. Si la cantidad es la mnima terica necesaria se trata de un consumo estequiomtrico. Consumo estequiomtrico: Cantidad de materia prima mnima terica necesaria para obtener una unidad de masa de producto. Se determina por la relacin de pesos moleculares de materia prima a producto afectados de los coeficientes de la reaccin ajustada. Conversin: Sinnimo de rendimiento de una reaccin qumica. Defecto de reactante: Seala que un reactante se encuentra por debajo del consumo estequiomtrico, por lo que la reaccin no se podr verificar completamente. Eficiencia: Sinnimo de rendimiento. Eficacia: Sinnimo de rendimiento. Estequiometria: La estequiometria es la ciencia que estudia las relaciones cuantitativas en las reacciones qumicas. Expresa con rigor las cantidades exactas de cada molcula que se combinan entre s o con otras para formar una cantidad determinada de otra u otras molculas. Las cantidades son proporcionales a los pesos moleculares de las molculas que intervienen multiplicados por nmeros enteros sencillos que son los coeficientes de la reaccin ajustada. Exceso de reactante: Cantidad aadida por encima del consumo estequiomtrico para garantizar que la reaccin se completa totalmente. Se suele expresar como porcentaje del consumo estequiomtrico y para obtener el consumo especfico se suma al valor estequiomtrico. Gases de Procesos: Son aquellos combustibles gaseosos obtenidos como subproductos de las actividades de refinacin, plantas de gas en coqueras y altos hornos, adems del gas obtenido en biodigestores.Gas de Refinera: Es el gas no condensable surgido de la refinacin del petrleo crudo. Est compuesto principalmente de hidrgeno, metano y etano y se empleado mayoritariamente en el mismo proceso de refinacin.Gas de Alto Horno:Es un subproducto de la actividad de produccin de acero en altos hornos. Generalmente, se emplean con fines de calentamiento en la planta.Gas de Coquera:Es aquel gas producido como producto secundario en el calentamiento intenso del carbn mineral o coque, con una combinacin de aire y vapor, en las coqueras. Est formado por xido de carbono, nitrgeno y pequeas cantidades de hidrgeno y dixido de carbono.Gas Condensado: Son hidrocarburos lquidos surgidos como subproductos del tratamiento de gas natural (etano, propano, butano y pentano)

Materia prima: Sustancia qumica de partida para una operacin o proceso.

P/p: Relacin peso a peso. Equivalente a composicin en peso. Producto: Salida de un proceso o planta de fabricacin objeto de la misma. Tambin se dice de las sustancias a la derecha de una reaccin qumica. Purga: Corriente de salida que se emplea para sacar fuera de un sistema de reaccin con alimentacin, recirculacin y separacin, los contenidos de sustancias inertes o subproductos que de otro modo se iran concentrando en el circuito bloqueando la reaccin. P/v: Relacin peso a volumen. Composicin expresada como masa sobre volumen total. Por ejemplo mg/l. Reaccin ajustada: Reaccin qumica en forma de ecuacin de reactantes igual a productos en la que cada uno de los elementos qumicos a izquierda y derecha de la ecuacin coinciden, as como las cargas elctricas si las hubiera. Reactantes: Sustancias qumicas a la izquierda de la ecuacin de una reaccin qumica. Reactivo limitante: Reactante que se encuentra en menor proporcin estequiometria respecto a los dems en una reaccin qumica. Su desaparicin sealara el mximo rendimiento alcanzable: 100%. Recirculacin: Corriente conteniendo materias primas incompletamente reaccionadas que se mezcla con alimentacin nueva para volver a reaccionar en el reactor.

Rendimiento: Proporcin generalmente porcentual en que ocurre una reaccin considerando como 100% la transformacin de todos los reactantes estequiometricamente en productos. Tambin se usa para referirse a la extensin de un proceso de separacin. La diferencia a 100 corresponder al porcentaje de reactante que sale sin reaccionar o que reacciona de otra manera, en otra reaccin o en el caso de una separacin, al componente que no se separa del todo permaneciendo en la corriente inicial. Selectividad: En el caso de mltiples reacciones, la relacin entre los moles de producto principal deseado, y los moles de subproducto producido simultneamente en el proceso. Subproducto: Producto secundario o lateral, a veces no deseado, pero en ocasiones inevitable, que se fabrica en la misma planta o proceso qumico a la vez que el producto principal. V/v: Relacin volumen a volumen. Equivalente a composicin volumtrica o en volumen.

Bibliografia http://www.docstoc.com/docs/105358809/Diapositiva-1 http://quim.iqi.etsii.upm.es/RESOLU~1.HTM http://iestamar.educa.aragon.es/tecnologia/bachillerato/Energia%20Termica/esquema.jpg http://blog.utp.edu.co/balances/files/2011/01/BMSINREACCI%C3%93N.pdf#page=1&zoom=auto http://es.scribd.com/doc/98264530/Capitulo-5-Balances-de-masa-y-energia Libro Balances de masa y energa CAPITULO 3 Libros Calderas #1 Ejercicios de balance de materia y energa aplicados a procesos industriales Ing. Magster Jos Luis Rodriguez