Gestión Energética en la Industria Ingeniero Químico Lección 3 Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de sólidos líquidos y gaseosos.

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1 Gestión Energética en la Industria Ingeniero Químico Lección 3 Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de sólidos líquidos y gaseosos Mariano Alarcón PARTE I. ENERGÉTICA Bloque temático II. FUENTES DE ENERGÍA

2 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles2 Lección 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de sólidos, líquidos y gaseosos 3.1 Instalaciones de combustibles sólidos 3.1.1 Almacenamiento 3.1.2 Trituración y molienda 3.2 Instalaciones de combustibles líquidos 3.2.1 Almacenamiento: depósitos y tanques 3.2.2 Calentamiento de los tanques de almacenamiento 3.2.3 Líneas de transporte de fuelóIeo

3 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles3 Lección 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de sólidos, líquidos y gaseosos 3.1 Instalaciones de suministro de gas canalizado (gas natural) 3.1.1 Redes de suministro de gas natural: clasificación 3.1.2 Estaciones de regulación y medida 3.1.3 Estaciones de regulación 3.2 Instalaciones de gases licuados del petróleo (GLP) 3.2.1 Suministro a granel y suministro por conducción 3.2.2 Depósitos 3.3 Dimensionamiento de conductos de gases combustibles 3.4 Dimensionamiento de depósitos de gases combustibles

4 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles4 Bibliografía n Manuales Técnicos y de Instrucción para conservación de energía, 1. Combustibles y su combustión.-- Madrid: Ministerio de Industria y Energía. Centro de Estudios de la Energía, 1983. n Andrés y Rodríguez-Pomatta, J.A. de y García, M., Calor y Frío Industrial, (2 Tomos). Ed. U.N.E.D., Madrid, 1.983. n González Olmedo, F., Diseño y Mantenimiento de Hornos Industriales. Gráficas Salamanca, 2000.

5 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles5 Prerrequisitos Son precisos para abordar esta lección los siguientes conocimientos específicos: n Tipos y propiedades de los combustibles n Hogares e instalaciones de combustión (básico) n Transmisión de calor n Equipos de compresión y bombeo

6 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles6 3.1 Instalaciones de combustibles sólidos 3.1.1 Almacenamiento Instalaciones de almacenamiento de carbón El carbón se almacena en parques formando montones, generalmente a la intemperie. Excepto la antracita, el almacenamiento carbones no presenta riesgo (pérdida de potencia calorífico, desmenuzamiento y peligro de combustión espontánea). Indicaciones para el almacenamiento a la intemperie n Almacenamiento en hileras con los costados en pendiente. n Eliminación de materiales de alta combustibilidad (papeles, madera...) n No apilar carbones alrededor de los pilares de hormigón n Mantener la temperatura < 65 °C, removiendo y mojando el carbón n Los almacenamientos en silos no deben tener puntos muertos, superficies pulimentadas y ángulos interiores mayores de 60º. Condiciones que favorecen el autoencendido n Menor tamaño n Mayor temperatura n Mayor superficie expuesta n Baja humedad (menor del 7%)

7 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles7 3.1.2 Trituración y molienda n Instalaciones de trituración u Esta operación se realiza en mayor o menor medida sobre todo el mineral de carbón, bien sea en origen o en la instalación de consumo. u Necesidad de la trituración:  ampliar la superficie de contacto comburente-combustible  mejorar el rendimiento de la combustión (disminuir inquemados) y reducir el tiempo de combustión  reducir estériles u El almacenamiento durante largos periodos de tiempo implica una compactación para evitar autoencendidos. u Operación previa a la deposición sobre las tolvas  de alimentación a hogares de parrilla  de alimentación a tolvas de molienda u Asociadas a cintas transportadoras, ruedas de cangilones, etc. para el transporte al parque de almacenamiento. n Instalaciones de molienda u Durante la molienda se reduce el contenido de humedad. u Debe realizarse un pulverizado correcto: Mayor finura  Mejor combustión  Mayor consumo energético en la molienda y desgaste de maquinaria. u Normalmente esta operación se realiza en el lugar de consumo, normalmente hogares de carbón pulverizado o lecho fluido, por lo que estas instalaciones incorporan un equipo de transporte neumático hasta las tolvas o directamente los quemadores del hogar.

8 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles8 Instalación de combustible sólido

9 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles9 3.2 Instalaciones de combustibles líquidos 3.2.1 Almacenamiento: depósitos y tanques Clasificación n Tipos de tanques: u Almacenamiento u De servicio o nodriza u Tanque día n En función de su ubicación: u Aéreos u Enterrados u Semienterrados Existen especificaciones y normas para cumplir los requisitos de seguridad y diseño

10 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles10 3.2.1 Almacenamiento: depósitos y tanques

11 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles11 3.2.1 Almacenamiento: depósitos y tanques Depósito aéreo por gravedad

12 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles12 3.2.2 Calentamiento de los tanques de almacenamiento n Los fuelóleos requieren calentamiento en su almacenamiento, manipulación y atomización (los gasóleos, en general, no) Requisitos de calentamiento del Fuel-oil para ser bombeado n Fuel-oil N°1, temperatura > 35 - 40 °C n Fuel-oil N°2, temperatura > 30 °C n Calentamiento de los tanques de almacenamiento sólo previamente al trasiego Sistemas de calentamiento de tanques de servicio n Tubos de vapor n Tubos de agua caliente n Calentadores eléctricos de inmersión n Combinación de sistemas Criterios de diseño del sistema calefactor del tanque de servicio n Aislamiento térmico de los tanques de servicio 1,47 kcal/m2ºC n Reducir la viscosidad por debajo de 245 cSt

13 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles13 3.2.3 Líneas de transporte de fuelóIeo n Tuberías metálicas u Liras, preferentemente, o juntas de expansión para absorber dilataciones, especialmente si son externas o están sometidas a temperaturas relativamente altas. u Mantenimiento de la temperatura requerida en cada punto de la línea n Dimensionar las canalizaciones considerando que el flujo es laminar y no sobrepasar la velocidad de 3 m/s. n Mención aparte merecen los oleoductos n Bombeo de combustibles  Para trasiego  Para alimentación de quemadores

14 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles14 3.2.3 Líneas de transporte de fuelóIeo (2) Métodos de calentamiento u Tubos externos o internos con vapor o agua caliente u Cintas o cables externos o internos con calentamiento eléctrico u Atención especial a accesorios (válvulas, instrumentación, etc.) por peligro de obstrucción en frío

15 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles15 3.2.3 Líneas de transporte de fuelóIeo (3) n Métodos de calentamiento u Tubos externos o internos con vapor o agua caliente u Cintas o cables externos o internos con calentamiento eléctrico u Atención especial a accesorios (válvulas, instrumentación, etc.) por peligro de obstrucción en frío

16 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles16 3.2.4 Instalaciones completas de combustible líquido

17 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles17 3.2.4 Instalaciones completas de combustible líquido

18 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles18 3.3 Instalaciones de gases combustibles 3.3.1 Gas canalizado (gas natural) 3.3.1.1 Redes de suministro de gas natural: clasificación En función de la presión de suministro, las redes se clasifican en: n Alta presión (AP): 4 < p < 64 bar; dentro de ésta se distingue: u Alta presión A (APA): 4 < p < 16 bar u Alta presión B (APB): 16 < p < 64 bar n Media presión (MP): 0,1 < p < 4 bar; dentro de ésta se distingue: u Media presión A (MPA): 0,4 < p < 4 bar u Media presión B (MPB): 0,1 < p < 0,4 bar n Baja presión (BP): p < 0,1 bar n Las líneas de Muy Alta (>64 bar) y Alta presión (APB) se emplean en transporte (gasoductos) n Las líneas de APA se usan en distribución n En el interior de instalaciones de alta y media potencia se utiliza Media presión (MPB y MPA) n BP se emplea en las instalaciones receptoras y sector doméstico.

19 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles19 3.3.1 Gas canalizado (gas natural) I nstalaciones receptoras Categoría Presión máxima (bar) n I:4<P<16 n II:16 < P < 45 Esquema básico de instalación con dos usos independientes

20 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles20 3.3.1.3 Instalaciones de consumo Líneas Materiales de las conducciones: n Acero: con/sin soldadura, en tramos aéreos y enterrados; soporta altas presiones n Cobre: en instalaciones interiores aéreas n Poletileno:: en conductos enterrados a media y baja presión

21 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles21 3.3.1.2 Estaciones de regulación y medida n Se sitúan a continuación de la acometida n Las estaciones de regulación y medida tienen entre sus misiones: u Aislar la red interior de posibles anomalías en la red general u Regular la presión de suministro a la de la red interior u Medir el consumo de gas u Filtrar y deshumectar el gas n Características (UNE 19-002) u PN-25 u PN-64 n Se ubican en recintos destinados a este fin, entre la acometida de la empresa suministradora y la instalación interior. n Clasificación según la envolvente u Abiertos u Cerrados u Armarios n Clasificación según el caudal nominal de la E.R.M. u Qn < 2 000 Nm3/h u 2000 < Qn < 10000 Nm3/h u Qn < 10000 Nm3/h

22 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles22 3.3.1.2 Estaciones de regulación y medida (2) Esquema

23 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles23 3.3.1.3 Estaciones de regulación Tienen como misión la de regular la presión de la red en determinados puntos de la instalación interior, como el suministro a los equipos consumidores

24 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles24 3.3.1.3 Instalaciones de consumo Líneas Esquema de instalación de gas para un quemador de dos llamas Línea de distribución interior: v < 20 m/s

25 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles25 3.3.2 Instalaciones de gases licuados del petróleo (GLP) 3.3.2.1 Suministro a granel y suministro por conducción Los GLP se suministran n envasado: envases retornables (o desechables) n a granel: depósitos n por conducción: redes similares a las de gas natural pero de menor recorrido

26 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles26 3.3.2.2 Depósitos Existen distintos tipos de depósitos: n Aéreos n Enterrados

27 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles27 3.3.2.2 Depósitos (3) Dimensionado de depósitos para GLP La vaporización natural se produce como consecuencia de la diferencia entre la temperatura exterior y la de saturación correspondiente a la tensión de vapor del glp. m glp : caudal de glp generado en condiciones extremas K : coeficiente global de transmisión de calor (incluye términos convectivos –interior y exterior- y por conducción) A m : área de transmisión; en esta se considera únicamente la superficie “mojada” por el líquido,  T = Tamb –Tsat, siendo Tamb la temperatura exterior mínima yTsat la de saturación correspondiente a la presión de suministro h fg,glp : entalpía de vaporización del glp a la presión de regulación de suministro.

28 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles28 n K : coeficiente global de transmisión de calor (incluye términos convectivos –interior y exterior- y por conducción). En depósitos aéreos, varía entre 8 y 12 kcal/m2 h °C, según la humedad relativa del aire y la velocidad del viento. Para depósitos enterrados se toma 5 kcal/m2 h °C. n A m : área de transmisión; en diseño, se considera la superficie mínima“mojada” por el líquido  el tanque se encuentra al mínimo de su capacidad, (20-30% de llenado). Si A es la superficie total del tanque: u A m = 0,337 A (m 2 ) (20% de llenado) u A m = 0,406 A (m 2 ) (30% de llenado) n  T = T amb –T sat, siendo T sat la de saturación del glp a la presión de suministro yT amb la temperatura exterior mínima (aéreos) y 5ºC (enterrados) 3.3.2.2 Depósitos (3) Dimensionado de depósitos para GLP

29 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles29 n h fg,glp : entalpía de vaporización del glp a la presión de regulación de suministro. ºCPropanoButanoPropano comercial 80/20 -12,293,894,593,9 -9,493,193,5 -,6,792,393,0 -3,991,492,4 -1,193,592,0 1,789,991,4 4,489,090,9 7,287,990,3 10,086,989,7 12,885,989,1 15,684,788,5 3.3.2.2 Depósitos (3) Dimensionado de depósitos para GLP Calor latente de vaporización hfg,glp, (kcal/kg) Presión (bar)Propano comercial bajo en C4 (ºC) Propano comercial alto en C4 (ºC) 1-27-22 1,2-24-19 1,5-20-16 1,7-18-12 2,0-15-10 Presiones y temperaturas de saturación de los glp

30 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles30 3.3.2.2 Depósitos Ábaco de GLP aéreo

31 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles31 3.3.2.2 Depósitos Ábaco de GLP enterrado

32 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles32 3.3.2.3.2 Autonomía de instalaciones GLP La determinación de la capacidad del depósito a instalar, V, viene condicionada por: una autonomía, Aut, o número de días de duración de la carga que sea aceptable la seguridad de utilizar desahogadamente la vaporización natural del.depósito. Si se llama C d (kg/día) al consumo diario, la autonomía Aut en días es, Aut = autonomía (días) V = Volumen del depósito en l 0,65 = Volumen utilizable del depósito (85% máximo y 20% de reserva)  = Densidad del propano: 0,51 kg/l C d = Consumo diario en: kg/día de propano.

33 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles33 3.3.2.3.3 Vaporizadores de GLP Cuando la vaporización natural no es suficiente para generar el flujo requerido de glp es preciso recurrir a vaporizadores que lo produzcan. Existen de diversos tipos: Agua caliente (< 60ºC; añadir anticongelante) Vapor de agua Eléctricos Se dimensionan de acuerdo con el consumo de la instalación en las horas punta en kg/h.

34 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles34 3.3.3 Dimensionamiento de conductos de gases combustibles El dimensionado de los conductos de gases combustibles se realiza según dos conceptos: u pérdidas de carga en la línea u velocidad del gas Pérdidas de carga n la presión admisible viene condicionada por la de utilización del quemador o dispositivo de utilización n las líneas se diseñan para una pérdida de carga máxima, dependiendo del caudal en condiciones normales: u alta presión (AP): 50% u media presión (MP): 25% u baja presión (BP): 5%

35 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles35 3.3.3 Dimensionamiento de conductos de gases combustibles (2) Pérdidas de carga n La expresión semiempírica más general es n Donde p: presiones absolutas  Q0,  0, p0, T0: caudal, densidad, presión y temperatura en condiciones normales  D: diámetro (m)  (zm  1 si p<5 bar)  L: longitud (m). Se puede aumentar un 20% para tener en cuenta las pérdidas de carga en accesorios.  F: factor de fricción  €: rugosidad

36 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles36 3.3.3 Dimensionamiento de conductos… (3) Fórmulas de Renouard (UNE 60.520.88) Pérdidas de carga Expresión general siendo ds la densidad ficticia y estando D en mm y Q0 en m3N/h n Si p<0,05 bar=500 mm.c.a debe cumplirse n Para el gas natural, el número de Reynolds se transforma en

37 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles37 3.3.3 Dimensionamiento de conductos… (4) Fórmulas de Renouard (UNE 60.520.88) Velocidad n La velocidad se determina a partir del caudal y la sección n Para unas condiciones termodinámicas distintas de las normales siendo z el coeficiente de compresibilidad del gas. n Velocidad máxima de diseño: v < 30 m/s, aunque en general v  15 m/s. :

38 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles38 Problema 1. Instalación de gas natural Se quiere determinar el diámetro de la red interior de tuberías de una instalación de gas natural para la alimentación de dos calderas (fig. adjunta). El PCI del combustible es 8600 kcal/m 3 N. De la instalación se conoce: u Presión garantizada en la arqueta de la compañía suministradora: 3 kg/cm2 u Presión en la red de distribución interior: 2,4 kg/cm2 u Potencia térmica de las calderas: u Caldera 1: 2000000 kcal/h u Caldera 2: 400 kW La longitud del tramo de acometida (AB) es de 70 m, la del tramo común (CD, antes de la bifurcación) 80 m, y desde la bifurcación a cada una de las calderas (DE y DF) 50 m. (Ver figura adjunta). La pérdida de carga máxima admisible desde la arqueta de registro a la Estación de Regulación y Medida (E.R.M.) es del 2,5%, y la pérdida de carga máxima en las condiciones interiores se establece en el 20%. Notas: n Las presiones datos son manométricas o relativas (considérese p atm =1,013 mbar=1,033 kg/cm 2 ). Las pérdidas de carga se refieren a presiones relativas. n Úsese para el diseño tubo de acero sin soldadura DIN 2448 n Las potencias de las calderas están referidas a PCI. n Tómese una velocidad máxima en las conducciones de 17 m/s.

39 Lec. 3. Instalaciones de almacenamiento, manipulación y transporte de combustibles39 Se está proyectando una instalación de suministro de GLP a una caldera que genera agua caliente para calefacción. La instalación consta de un depósito fijo aéreo de 2450 dm 3 que almacena propano comercial, de 11900 kcal/kg de PCI. Se pide determinar: u Autonomía del depósito, sabiendo que el consumo de la caldera es de 30000 kcal/h y que el funcionamiento medio diario es de 8 h. Considérese que el máximo llenado del depósito es del 85%, y que debe hacerse una reserva del 20%. u Vaporización natural del depósito, tomándose una presión de tarado del regulador de 1,7 bar, una temperatura mínima de –5ºC y una superficie total del depósito de 10,2 m 2. Problema 2. Instalación GLP