controles de cov

7/26/2019 Controles de COV

1/49

Seccin 3

Controles de COV

EPA 452/B-02-002


2/49

Seccin 3.1

Controles de Recaputra de COV

EPA 452/B-02-002


3/49

2-1

Captulo 2

Condensadores Refrigerados

Gunseli Sagun ShareefWiley J. BarbourSusan K. LynchW. Richard PeltRadian Corporation

Corporacin RadianResearch Triangle Park, NC 27709

William M. VatavukInnovative Strategies and Economics Group, OAQPS

Grupo de Estrategias Inovadoras y EconomaU.S. Environmental Protection Agency

Agencia para la Proteccin Ambiental de los EE. UU.Research Triangle Park, NC 27711

Diciembre de 1995

EPA/452/B-02-001


4/49

2-2

Contenido

2.1 Introduccin .......................................................................................................................................... 2-32.1.1 Eficiencias y Funcionamiento del Sistema ..................... ...................... ..................... ............... .... 2-3

2.2 Descripcin del Proceso ........................................................................................................................ 2-52.2.1 Condensadores de COV .............. ............... ............... ............... .............. ............... ............... ........ 2-52.2.2 Unidad de Refrigeracin .................. ................... ................... .................. ................... ........... ...... 2-62.2.3 Equipo Auxiliar ............... .............. .............. .............. .............. ............... .............. .............. ........... 2-7

2.3 Procedimientos de Diseo .............. ............... .............. .............. .............. .............. .............. .............. .... 2-82.3.1 Estimacin de la Temperatura de Condensacin .............. ............... .............. .............. .............. ... 2-92.3.2 Carga de Calor del Condensador de COV .................. ................. ................. ................. ............. 2-112.3.3 Tamao del Condensador .............. .............. ............... .............. .............. .............. ............... ...... 2-142.3.4 Razn de Flujo del Refrigerante ................... .................... .................... .................... ............. ..... 2-15

2.3.5 Capacidad de Refrigeracin ................. .................. ................... ................... ................... .......... . 2-162.3.6 COV Recuperado .............. .............. .............. .............. .............. ............... .............. .............. ...... 2-162.3.7 Equipo Auxiliar ............ ............... .............. .............. .............. .............. .............. ............... ........... 2-162.3.8 Procedimiento Alternativo de Diseo ............... ................. ................. ................. ................ ...... 2-17

2.4 Estimacin de la Inversin de Capital Total ............ .............. ............. .............. .............. ............... ...... 2-182.4.1 Costos de Equipo de Sistemas Modulares de Recuperacin de Vapor de Solvente ............. ..... 2-182.4.2 Costos de Equipo de Sistemas de Recuperacin de Vapor de Solvente no Modulares (a la

Medida). ....................................................................................................................................... 2-222.4.3 Costos de Equipo de Sistemas de Recuperacin de Vapor de Gasolina............. .............. .......... 2-232.4.4 Costos de Instalacin ................................................................................................................ 2-24

2.5 Estimacin de los Costos Totales Anuales ............. ............. .............. .............. ............. ............... ........ 2-25

2.5.1 Costos Anuales Directos ........................................................................................................... 2-272.5.2 Costos Indirectos Anuales ........................................................................................................ 2-272.5.3 Crdito por Recuperacin ............... ................. ................ ................. ................ ............... .......... 2-292.5.4 Costo Total Anual ............ ............... .............. .............. .............. .............. ............... .............. ...... 2-29

2.6 Problema de Ejemplo 1 .............. .............. ............... .............. .............. .............. .............. ............... ....... 2-292.6.1 Informacin Requerida Para el Diseo ................... ..................... ..................... .................... ...... 2-292.6.2 Diseo del Tamao del Equipo ............... ............... ................ ................ ................ ............. ....... 2-292.6.3 Costos de Equipo ...................................................................................................................... 2-332.6.4 Costo Total Anual ............ ............... .............. .............. .............. .............. ............... .............. ...... 2-35

2.7 Problema de Ejemplo 2 .............. .............. ............... .............. .............. .............. .............. ............... ....... 2-352.7.1 Informacin Requerida Para el Diseo ................... ..................... ..................... .................... ...... 2-36

2.8 Reconocimientos ................................................................................................................................. 2-37

Referencias ................................................................................................................................................. 2-37

Apndice A ................................................................................................................................................. 2-39

Apndice B ................................................................................................................................................. 2-42


5/49

2-3

2.1 Introduccin

Los condensadores en uso hoy en da pueden caer en dos categoras: refrigerados o no-refrigerados. Los condensadores no-refrigerados se utilizan ampliamente como dispositivos

de recuperacin de materia prima y/o producto en industrias de procesos qumicos.Frecuentemente son utilizados antes de los dispositivos de control (v.g. incineradores oabsorbedores). Los condensadores refrigerados son utilizados como dispositivos de controlde la contaminacin ambiental para el tratamiento de corrientes de emisiones con altasconcentraciones de Compuestos Orgnicos Voltiles, COV,(tpicamente >5,000 ppmv) enaplicaciones que involucran grandes terminales de gasolina,almacenamiento, etc.

La condensacin es una tcnica de separacin en la cual uno ms de los componentesvoltiles de una mezcla de vapor son separados de los vapores restantes por medio de lasaturacin, seguida por un cambio de fase. El cambio de fase de gas a lquido puede ser

obtenido en dos maneras: (a) la presin del sistema puede aumentarse a una temperatura dada, (b) la temperatura puede ser disminuida a presin constante. En un sistema de doscomponentes donde uno de los componentes no es condensable (v.g.aire), la condensacinocurre al punto de roco (saturacin), cuando la presin parcial del compuesto voltil es iguala su presin de vapor. Cuan ms voltil sea el compuesto (v.g.cuan ms bajo sea su punto deebullicin normal), mayor ser la cantidad que pueda permanecer como vapor a unatemperatura dada; de ah la temperatura ms baja requerida para la saturacin(condensacin). La refrigeracin es empleada a menudo para obtener las bajas temperaturasrequeridas por las eficiencias aceptables de remocin. Este captulo se limita a la evaluacinde condensacin refrigerada a presin (atmosfrica) constante.

2.1.1 Eficiencias y Funcionamiento del Sistema

La eficiencia de remocin de un condensador depende de las caractersticas de lacorriente de la emisin, incluyendo la naturaleza del COV en cuestin (relacin de presin devapor/temperatura), concentracin de COV y el tipo de refrigerante utilizado. Cualquiercomponente de cualquier mezcla de vapor puede ser condensado si se lleva a una temperaturasuficientemente baja y se le deja que alcance el equilibrio. En la Figura 2.1 se muestra ladependencia de la presin de vapor con la temperatura para ciertos compuestos [1]. Uncondensador no puede reducir la concentracin de entrada a niveles por debajo de laconcentracin de saturacin a la temperatura del refrigerante. Pueden alcanzarse eficienciasde remocin por encima del 90 por ciento, con refrigerantes tales como el agua fra,soluciones de salmuera, amonaco o clorofluorocarbonos, dependiendo de la composicindel COV y el nivel de concentracin de la corriente de emisin.


6/49

2-4

Figura 2.1:Presiones de Vapor de Compuestos Seleccionados vs. Temperatura [1]

Figura 2.2: Diagrama Esquemtico de un Sistema de Condensador Refrigerado

Temperatura ( F)

Hexano

Metanol

Benzeno

Tolueno

o-Xyleno

a-pireno

Dodecano

Presin(mmH

g)

4.31

0.0

0.1

1.0

10.0

40

100.0

400

1000.0

26.1 44.1 55.2 -9 -59 -99 - 137.7

Aire Limpio

274 K

DecantadorCOV Recuperado

Agua EfluenteDesechada o Enviada aVaciado de Aire o Vapor

Refrigeracin/Enfriamiento Externo

Entrada de Refrigerante

Salida de Refrigerante

COV Recuperado

FraccionDesviada

Agua Condensada COV

Dehumidificacin

Refrigeracin/Enfriamiento Integrado

Gases de Desecho de COV


7/49

2-5

2.2 Descripcin del proceso

En la Figura 2.2 se representa una configuracin tpica de un sistema de condensadorde superficie refrigerada como un dispositivo de control de emisin. El equipo bsico

requerido para un sistema de condensador refrigerado, incluye un condensador de COV, unao ms unidades de refrigeracin y equipo auxiliar (v.g.preenfriador, tanque de recuperacin/almacenamiento, bomba/soplador ytuberas).

2.2.1 Condensadores de COV

Los dos tipos ms comunes de condensadores utilizados son los de superficie y los decontacto.[21] En los condensadores de superficie, el refrigerante no entra en contacto con lacorriente de gas. La mayora de los condensadores de superficie en sistemas refrigerados sondel tipo de tubo yenvoltura (vase la Figura 2.3).[3] Los condensadores de tubo y envoltura

circulan el refrigerante a travs de los tubos. Los COVs se condensan en el exterior de lostubos (v.g.dentro de la envoltura). Los intercambiadores de calor de tipo placa y marcotambin son utilizados como condensadores en sistemas refrigerados. En estoscondensadores, el refrigerante y el vapor fluyen separadamente sobre placas delgadas. Encualquiera de los diseos, el vapor condensado forma una pelcula en la superficie enfriaday drena hacia un tanque de recoleccin para almacenamiento, re-uso o disposicin.

En contraste con los condensadores de superficie donde el refrigerante no entra encontacto con los vapores ni con el condensado, los condensadores de contacto enfran lacorriente de vapor al rociar ya sea un lquido a temperatura ambiente o un lquido enfriado,directamente en la corriente de gas.

Figura 2.3:Diagrama Esquemtico de un Sistema de Condensador Refrigerado

Entrada deVapor

Salida deVapor

Entrada deRefrigerante

Salida deRefrigerante

COV Condensado


8/49

2-6

El refrigerante usado de los condensadores de contacto, que contiene COVs, generalmenteno puede ser usado de nuevo directamente y puede ser un problema de disposicin.Adicionalmente, los COVs en el refrigerante usado no pueden ser recuperados directamente sinotro procesamiento. Como el refrigerante en los condensadores de superficie no entra en contactocon la corriente de vapor, no se contamina y pude ser reciclado en un circuito cerrado. Loscondensadores de superficie tambin permiten la recuperacin directa de COVs de la corriente degas. En este captulo se discutir solamente el diseo y costeo de sistemas de condensadores desuperficie refrigerada.

2.2.2 Unidad de Refrigeracin

El ciclo mecnico de compresin de vapor comnmente usado para producirrefrigeracin, consiste de cuatro etapas: evaporacin, compresin, condensacin y expansin(vase la Figura 2.4).[4] El ciclo que se utiliza para la compresin de vapor en una sola etapa,involucra dos presiones, alta y baja, para permitir un proceso continuo para producir unefecto refrigerante. El calor absorbido de la corriente de gas, evapora el lquido enfriador(refrigerante). En seguida, el refrigerante (ahora en fase de vapor), es comprimido a unatemperatura y presin ms altas por el compresor del sistema. Despus, el vapor supercalentado del refrigerante es condensado, rechazando sus calores sensible y latente en el

condensador. Subsecuentemente, el lquido refrigerante fluye desde el condensador a travsde la vlvula de expansin, donde la presin y la temperatura se reducen a las del evaporador,completndose as el ciclo.

La capacidad de una unidad de refrigeracin es la razn a la cual el calor es removido,expresada en toneladas de refrigeracin. Una tonelada de refrigeracin es la refrigeracin

Figura 2.4: Ciclo Bsico de Refrigeracin [4]

VlvuladeExpansin

Evaporador

Lado de Baja Presin Compresor

Lado de Alta Presin

Condensador


9/49

2-7

producida al fundir una tonelada de hielo a 32Fen 24 horas. Es la relacin de remover calorequivalente a 12,000 Btu/h 200 Btu/min. Para ms detalles sobre principios derefrigeracin, vase las referencias [5] y [6].

En las aplicaciones que requieren bajas temperaturas (por debajo de -30F), confrecuencia se emplean sistemas de refrigeracin de mltiples etapas.[4] Los sistemas demltiples etapas son diseados y comercializados en dos tipos diferentes: compuesto y decascada. En los sistemas compuestos, slo se usa un refrigerante. En un sistema de cascada,dos o ms sistemas separados de refrigeracin se interconectan de tal manera que uno sirveal otro como un medio para la disipacin de calor. Los sistemas de cascada son deseablespara aplicaciones que requieren temperaturas entre los -50 y -150F y que permiten el uso dediferentes refrigerantes en cada ciclo.[4] Tericamente, son posibles cualquier nmero deetapas en cascada, requiriendo cada etapa un condensador adicional y una etapa adicional decompresin

En los sistemas de condensador refrigerado, se usan dos clases de refrigerantes; elprimario y el secundario. Los refrigerantes primarios son aquellos que experimentan uncambio de fase de lquido a gas despus de haber absorbido calor. Son ejemplos, el amonaco(R-717) y los clorofluorocarbonos como el clorodiflurometano(R-22) o eldiclorodiflurometano(R-12). Recientes preocupaciones de que ste ltimo causa abatimientode la capa de ozono, han impulsado el desarrollo de refrigerantes substitutos. Losrefrigerantes secundarios como las soluciones de salmuera, actan solamente comoportadores de calor y permanecen en fase lquida.

Los sistemas convencionales utilizan un circuito refrigerante primario cerrado que

enfra el circuito secundario a travs del medio de transferencia de calor en el evaporador. Elfluido secundario de transferencia de calor es bombeado a un condensador de vapor de COVdonde es usado para enfriar la corriente de vapor de aire/COV. Sin embargo, en algunasaplicaciones el fluido primario de refrigeracin es usado directamente para enfriar lacorriente de vapor.

2.2.3 Equipo Auxiliar

Tal como se muestra en la Figura 2.2, algunas aplicaciones pueden requerir equipoauxiliar, tal como pre-enfriadores, tanques de recuperacin/almacenamiento, bombas/sopladores y tuberas.

Si el vapor de agua est presente en la corriente tratada de gas si el COV tiene unpunto de congelacin alto (v.g.benceno), se podran formar hielo o hidrocarburos congelados enlos tubos o placas del condensador. Esto reducira la eficiencia de la transferencia de calor delcondensador ypor ende reducir la eficiencia de remocin. La formacin de hielo tambin aumentarla cada de presin a travs del condensador. En tales casos, puede ser necesario un pre-enfriador


10/49

2-8

para condensar la humedad antes del condensador de COV. ste pre-enfriador reducira latemperatura de la corriente a aproximadamente 35-40F, removiendo efectivamente la humedaddel gas. Alternativamente, un ciclo de calentamiento intermitente puede ser usado para derretir elhielo acumulado. Esto puede lograrse circulando salmuera a temperatura ambiente a travs del

condensador o con el uso de radiadores de calor en espiral. Si un sistema no es operadocontinuamente, el hielo tambin puede ser removido circulando aire a temperatura ambiente.

En ciertos casos, puede ser necesario un tanque de recuperacin de COV para elalmacenamiento temporal del COV condensado antes de ser reusado, reprocesado otransferido a un tanque ms grande. Las bombas y los sopladores son usados tpicamente paratransferir lquidos (v.g. el refrigerante o el COV recuperado) y corrientes de gas,respectivamente, dentro del sistema.

2.3 Procedimientos de Diseo

En esta seccin se presentan dos procedimientos para el diseo (clculo de tamao),de sistemas de condensadores de superficie refrigerada para remover COV de mezclas deaire/COV. En el primer procedimiento presentado, se calcula la temperatura de salida delcondensador, necesaria para obtener una eficiencia dada de recuperacin de COV. En elsegundo procedimiento, que es el inverso del primero, la temperatura de salida es dada y secalcula la eficiencia de recuperacin que le corresponde.

El primer procedimiento depende del conocimiento de los siguientes parmetros:

1. La razn de flujo volumtrico de la corriente de gas que contiene COV;

2. La temperatura de entrada de la corriente de gas;

3. La concentracin y composicin del COV en la corriente de gas;

4. La eficiencia requerida de remocin del COV;

5. Contenido de humedad en la corriente de la emisin; y

6. Las propiedades del COV (suponiendo que el COV es un compuesto puro):

Calor de condensacin,

Capacidad calorfica, y

Presin de vapor.


11/49

2-9

El diseo de un sistema de condensador refrigerado requiere determinar el tamao delcondensador del COV y la capacidad de refrigeracin de la unidad. Para una eficiencia dadade remocin, necesitan calcularse la temperatura de condensacin y la carga de calor, paradeterminar estos parmetros. Los datos necesarios para realizar los clculos con susvariables y unidades se enlistan en la Tabla 2.1.

Los pasos delineados a continuacin para la estimacin de la temperatura decondensacin y la carga de calor, se aplican a una mezcla de dos componentes (COV/aire), enla cual uno de los dos componentes es considerado no-condensable (aire). Se supone que elcomponente COV consiste de un slo compuesto. Tambin se supone que la corriente de

emisin est libre de humedad. Los clculos estn basados en lassuposiciones de que el gasy la solucin son ideales, para simplificar los procedimientos de diseo del tamao. Para unanlisis ms riguroso, vase la Referencia. [5].

2.3.1 Estimacin de la Temperatura de Condensacin

Para determinar la carga de calor, debe estimarse la temperatura necesaria paracondensar la cantidad requerida de COV. El primer paso es determinar la concentracin deCOV a la salida del condensador para una eficiencia dada de remocin. Esta se calculadeterminando primero la presin parcial del COV a la salida, P

COV. Suponiendo que se aplica la

ley del gas ideal, PCOV est dada por:

( )P sa lid a M o les d e C O V en la co rr ie n te d e sa lid aM o le s e n la co rr ien te d e en tra d a - M o le s d e C O V rem o v id oV O C

= 7 6 0 (2.1)

Tabla 2.1:Datos de Entrada Requeridos.

Datos Nombre de la Variable Unidades

Razn de la corriente de entrada Qin ft3/min(770F:1 atm)

Temperatura de la corriente de entrada Tin

0F

Fraccin volumen de entrada de COV YCOV

,in fraccin de volumenEficiencia de remocin de COV requerida n -Constantesa de la Ecuacin de Antoine A,B,C Btu/lb-moleCalor de condensacin del COVa deltaH Btu/lb-mole-0FCapacidad calorfica del COVa C

p,COVBtu/lb-0F

Calor especfico del refrigerante Cp,cool

Btu/lb-mole-0F

Capacidad calorfica del Aire Cp,air

aVase el Apndice A para stas propiedades de compuestos orgnicos seleccionados


12/49

2-10

donde

PCOV

= Presin parcial del COV en la corriente de salida (mm Hg).

y se supone que el condensador opera a presin constante de una atmsfera(760 mm Hg).

Sin embargo:

Moles de COV en la corriente de salida = (Moles de COV en la corriente de entrada)(1-)

(2.2)

Moles de COV en la corriente de entrada = (Moles en la corriente de entrada) yCOV,in

(2.3)

Moles de COV removidos = (Moles de COV en la corriente de entrada) (2.4)

donde

= eficiencia de remocin del sistema condensador (fraccional) = Moles de COV removidos/Moles de COV en la corriente de entrada

yCOV,in

= Fraccin Volumen de COV en la corriente de entrada

Substituyendo stas variables en la Ecuacin 2.1, obtenemos:

( )[ ]P =

-

-V O C

V O C , i n

V O C , i n

7 6 01

1

y

y

( )

(2.5)

A la salida del condensador, se supone que el COV en la corriente de gas estenequilibrio con el COV condensado. En el equilibrio, la presin parcial de COV en lacorriente de gas es igual a su presin de vapor a sa temperatura, suponiendo que elcondensado es COV puro (v.g., presin de vapor, P

COV). Por lo tanto, la temperatura de

condensacin puede ser especificada, determinando la temperatura a la cual sta condicinocurre. ste clculo estbasado en la Ecuacin de Antoine que define la relacin entre lapresin de vapor y la temperatura para un compuesto en particular:

P = A -B

T + CV O C co nlo g (2.6)


13/49

2-11

en donde Tcon

es la temperatura de condensacin (C). Ntese queTcon

esten grados Centgradosensta ecuacin. En la ecuacin 2.6,A, B,y Cson constantes especficas del COV pertinentes ala temperatura expresada en C y presin en mm Hg (vase el Apndice 8A). Resolviendo porT

cony convirtiendo a grados Fahrenheit:

( )T =

B

A - P - C +co n

V O Clo g.

10

1 8 32

(2.7)

Los mtodos de clculo para una corriente de gas que contiene mltiples COVs soncomplejos, particularmente cuando hay desviaciones significativas del comportamiento ideal

de gases y lquidos. Sin embargo, puede estimarse la temperatura necesaria para lacondensacin de una mezcla de COVs, por la media ponderada de las temperaturas necesarias

para condensar cada COV en la corriente de gas a una concentracin igual a la concentracintotal de COV.[1]

2.3.2 Carga de Calor del Condensador de COV

La carga de calor del condensador es la cantidad de calor que debe removerse de la

corriente de entrada para obtener la eficiencia de remocin especificada. Se determina porun balance de energa, tomando en cuenta el cambio de entalpa debido al cambio detemperatura del COV, el cambio de entalpa debido a la condensacin de COV y el cambio deentalpa debido al cambio de temperatura del aire. En el siguiente anlisis, el cambio deentalpa debido a la presencia de humedad en el flujo de gas de entrada es insignificante.

Para los propsitos de esta estimacin, se supone que la carga de calor total en elsistema es igual a la carga de calor del condensador de COV. Realmente, cuando se calculan

los requerimientos de capacidad de refrigeracin para unidades de refrigeracin a bajatemperatura, se deben considerar cuidadosamente la lnea del proceso y las prdidas yentradas de calor en las bombas del proceso. Las capacidades de las unidades de

refrigeracin son clasificadas tpicamente en trminos de generacin neta y no reflejanninguna prdida a travs de las bombas o lneas de proceso.

Primero, el nmero de lb-moles de COV por hora en la corriente de entrada debe ser calculado

por la siguiente expresin:

( )MQ

fty

m in

h rV O C , inin

V O C , i u= 3 9 26 03 (2.8)


14/49

2-12

dondeMCOV,ines la razn de flujo molar del COV en la corriente de entrada y Qla razn deflujo volumtrico enft3/min (scfm). El factor 392 es el volumen (ft3) ocupado por una lb-molede la corriente de gas de entrada a condiciones normales (77Fy 1 atm). El nmero de lb-moles de COV por hora en la corriente de gas de salida se calcula como sigue:

M Mvoc voc, , ( )o ut in= -1 (2.9)

donde MCOV,outes la razn de flujo molar de COV en el flujo de salida. Finalmente, el nmerode lb-moles de COV por hora que son condensados se calcula como sigue:

M = M - Mv o c , c o n v o c , i n v o c , o u t (2.10)

dondeMCOV,cones la razn de flujo del COV que es condensado.

La carga de calor del condensador es entonces calculada por la siguiente ecuacin:

H = H + H + Hloa d co n u nc o n no n c on (2.11)

donde

Hload

= carga de calor del condensador (Btu/hr)

Hcon

= cambio de entalpa asociado con el COV condensado (Btu/hr)H

uncon= cambio de entalpa asociado con el COV no condensado (Btu/hr)

Hnoncon = cambio de entalpa asociado con el aire no condensable (Btu/hr).

El cambio de entalpa del COV condensado se calcula como sigue:

( )[ ] H = M H + C T - Tc o n V O C , c o n V O C p , V O C in c o n (2.12)

donde HCOV

es el calor molar de condensacin y Cp,COV es la capacidad de calor molar delCOV. Cada parmetro vara en funcin de la temperatura. En la ecuacin 2.12,H

COVy Cp,COV

se evalan a la temperatura media:

TT in T

m e a n

co n= +

2(2.12a)


15/49

2-13

El calor de condensacin a una temperatura especfica, T2, (R), puede ser calculada

con referencia a una temperatura, T1(R), usando la Ecuacin de Watson:[7]

( ) ( ) H T = H T-

T

T

-T

T

V O C V O C

c

c

a t a t 2 1

2

1

0 38

1

1

.

(2.13)

donde Tc(R) es la temperatura crtica del COV.

La capacidad calorfica tambin puede calcularse para una temperatura especfica,T

2, si las constantes de capacidad calorfica (a, b, c, y d) son conocidas para el compuesto

en cuestin. La ecuacin de la capacidad calorfica es:

C = a + bT + cT + dT p, vo c 2 22

23

(2.14)

Sin embargo, para simplificar el anlisis de la carga de calor, se puede suponer que Cp,COVpermanece constante en el rango de temperatura de operacin (v.g., Tin- Tcon), sin muchaprdida deexactitud en los clculos de cargas de calor, ya que el cambio calor sensible en laEcuacin 2.12 es relativamente pequeo en comparacin al cambio de entalpa debido a la

condensacin.

Los datosde calor de condensacin y de capacidad calorfica se proporcionan en elApndice A. El calor de condensacin para cada compuesto es reportado a su punto deebullicin, mientras que su capacidad calorfica es dada a 77F. Para estimar el calor decondensacin a otra temperatura, utilice la Equacin 2.13. Sin embargo, los datos decapacidad calorfica del Apndice A pueden ser usados para aproximar Cp,COV a otrastemperaturas, puesto que los cambios de calor son por lo general pequeos, comparados conlos cambios de la entalpa de condensacin.

El cambio de entalpa asociado con el COV no condensado se calcula por la siguiente

expresin:

( )H = M C T - Tu nco n V O C , o ut p , V O C in co n (2.15)


16/49

2-14

Finalmente, el cambio de entalpa de aire no condensable se calcula como sigue:

( )H = Q - M C T - Tn o n co n in V O C , in p , a ir in co n3 92603ft

m inh r

(2.16)

dondeCp,air

es el calor especfico del aire. En ambas Ecuaciones 2.15 y 2.16, losCps son evaluados

a la temperatura media, tal como es dada en la Ecuacin 2.12a.

2.3.3 Tamao del Condensador

El tamao de los condensadores se disea en base a la carga de calor, a la medialogartmica de la diferencia de temperatura entre las corrientes de la emisin y el refrigerantey al coeficiente de transferencia de calor total. El coeficiente de transferencia de calor total,

U, puede ser estimado de los coeficientes de transferencia de calor individuales de las

corrientes de gas y del refrigerante. Los coeficientes de transferencia de calor total para los

intercambiadores de calor tubulares, en donde los vapores de solvente orgnico en gas nocondensable, se condensan en el lado de la envoltura y se circula agua/salmueraen el lado de

los tubos, varan tpicamente de 20 a 60Btu/hr-ft2-Fsegn el Manual del Ingeniero Qumicode Perry[4]. Para simplificar los clculos, puede usarse un solo valor de Upara disear eltamao de estos condensadores. Esta aproximacin es aceptable para el propsito de realizar

estimaciones de estudio de costos.

Por consiguiente, puede usarse una estimacin de 20Btu/hr-ft2-Fpara obtener unclculo conservador del tamao del condensador. La siguiente ecuacin es usada paradeterminar el rea requerida para la transferencia de calor:

A =H

U Tco n

load

lm(2.17)

donde

Acon= superficie de rea del condensador (ft

2)U = coeficiente global de transferencia de calor (Btu/hr-ft2-F)

Tlm

=media logartmica de la diferencia de temperatura (F).

La media logartmica de la diferencia de temperatura es calculada por la siguiente ecuacin, que estbasada en el uso de un condensador de flujo a contracorriente:


17/49

2-15

( ) ( )T =

T - T - T - T

T - TT - T

lm

in coo l, o u t con coo l, in

in coo l, ou t

con co o l, in

ln

(2.18)

donde

Tcool,in

= temperatura de entrada del refrigerante (F)

Tcool,out

= temperatura de salida del refrigerante (F).

Se puede suponer que la diferencia de temperatura (aproximacin) a la salida delcondensador es de 15F. En otras palabras, la temperatura de entrada del refrigerante, T

cool,in,

ser15Fmenos que la temperatura de condensacin calculada, Tcon.Tambin, el aumento detemperatura del refrigerante se especifica como de 25F. (stas dos temperaturas- la deaproximacin del condensador y el aumento de temperatura del refrigerante, reflejan unabuena prctica de diseo que, si se usa, resultaren un tamao aceptable del condensador).Por lo tanto, las siguientes ecuaciones pueden ser aplicadas para determinar las temperaturas

de entrada y salida del refrigerante:

T = Tcoo l, in co n - F15

(2.19)

T = Tcoo l, o u t co o l, in + F25

(2.20)

2.3.4 Razn de Flujo del Refrigerante

El calor removido de la corriente de emisin es transferido al refrigerante. Por unsimple balance de energa, la razn de flujo del refrigerante puede ser calculada como sigue:

( )W =

H

C T - T c o o l

lo a d

p , c o o l c o o l, o u t c o o l, in

(2.21)

dondeWcooles la razn del flujo del refrigerante (lb/hr), yCp,cooles el calor especfico del refrigerante(Btu/lb-F). Cp,coolvariarde acuerdo al tipo de refrigerante utilizado. Para una mezcla de 50-50(% en volumen) de etilenglicol y agua, Cp,cooles aproximadamente 0.65Btu/lb-F. El calor

especfico de la salmuera (agua salada), otro refrigerante comnmente utilizado, esaproximadamente 1.0Btu/lb-F.


18/49

2-16

2.3.5 Capacidad de Refrigeracin

Se supone que la unidad de refrigeracin proveerel refrigerante al condensador, a la

temperatura requerida. La capacidad de refrigeracin requerida es expresada en trminos detoneladas de refrigeracin como sigue:

R =Hload

1 2 0 00,(2.22)

Nuevamente, como se explica en la seccin 2.3.2,Hload

no incluye ninguna prdida decalor.

2.3.6 COV Recuperado

La masa de COV recuperada en el condensador puede ser calculada utilizando la siguiente

expresin:

W = M M W vo c , co n vo c , co n voc (2.23)

donde

WCOV,con

= masa de COV recuperada (o condensada) (lb/hr)

MWCOV

= peso molecular del COV (lb/lb-mole).

2.3.7 Equipo Auxiliar

El equipo auxiliar para un condensador de superficie refrigerada puede incluir:

pre-enfriador, tanque de almacenamiento del COV recuperado, bombas/sopladores, y tubera/conductos.

Si el vapor de agua estpresente en la corriente tratada de gas, puede requerirse unpre-enfriador para remover la humedad y prevenir que se forme hielo en el condensador de

COV. La concentracin de humedad y la temperatura de la corriente de emisin, influyen en eldiseo del tamao de un pre-enfriador. Tal como se discute en la Seccin 2.2.3, puede no sernecesario un pre-enfriador en sistemas de condensadores de superficie refrigerada de operacinintermitente donde el hielo tendrtiempo de derretirse entre los perodos sucesivos de operacin.


19/49

2-17

Si se requiere un pre-enfriador, una temperatura tpica de operacin es de 35 a 40F.A sta temperatura, casi todo el vapor de agua presente se condensar sin riesgo decongelarse. sta temperatura de condensacin corresponde aproximadamente a un rango de

eficiencia de remocin de 70 a 80 por ciento, si la corriente de entrada estsaturada con vaporde agua a 77F. El procedimiento de diseo delineado en las secciones previas para uncondensador de COV, pude ser utilizado para disear el tamao del pre-enfriador, en base ala tabla psicomtrica para el sistema de vapor de agua-aire.(vase la Referencia [4]).

Se utilizan tanques de almacenamiento/recuperacin para almacenar el COVcondensado, cuando el reciclado directo del COV condensado no es una opcin conveniente.El tamao de stos tanques estdeterminado por la cantidad de condensado de COV que serrecolectada y el tiempo necesario antes de que sea descargado. El diseo del tamao de lasbombas y los sopladores se basa en las razones de flujo del lquido y del gas, respectivamente,ascomo en la cada de presin en el sistema entre la entrada y la salida. El diseo del tamaode los conductos y tuberas (largo y dimetro), depende primordialmente de la razn del flujo,de la velocidad en el conducto/tubo, del espacio disponible y de la distribucin del sistema.

2.3.8 Procedimiento Alternativo de Diseo

En algunas aplicaciones, puede ser deseable disear el tamao y costo de un sistemade condensador refrigerado que utilizarun refrigerante especfico y que proporciona unatemperatura particular de condensacin. El procedimiento de diseo que se debe emplearsees un caso tal, sera esencialmente el mismo que el presentado en sta seccin, excepto que enlugar de calcular la temperatura de salida del condensador que se debe obtener para una

eficiencia de recuperacin especificada de COV, la temperatura de salida estdada y secalcula la eficiencia de recuperacin correspondiente.

El clculo inicial sera para estimar la presin parcial (vapor) del COV a latemperatura de salida dada, T

con, utilizando la Ecuacin 2.6. En seguida, se calculausando

la Ecuacin 2.24, rearreglando la Ecuacin 2.5:

( )( )

=- P

- P

V O C , in V O C

V O C , in V O C

76 0

760

y

y(2.24)

Finalmente, se substituye la PCOV

calculada en esta ecuacin para obtener . En el resto de losclculos para estimar la carga de calor del condensador, la capacidad de refrigeracin, larazn de flujo del refrigerante, etc., sgase el procedimiento presentado en las secciones 2.3.2a 2.3.7.


20/49

2-18

2.4 Estimacin de la Inversin de Capital Total

En esta seccin se presentan los procedimientos y datos necesarios para estimar loscostos de capital para sistemas de condensadores de superficie refrigerada en aplicaciones derecuperacin de vapor de solvente y vapor de gasolina. En las Secciones 2.4.1 y 2.4.2 sepresentan los costos para los sistemas modulares y hechos a la medida de recuperacin devapor de solvente, respectivamente. Los costos para los sistemas modulares de recuperacinde vapor de gasolina se describen en la Seccin 2.4.3. Se calculan los costos en base a losprocedimientos de diseo/tamao discutidos en la Seccin 2.3.

La inversin de capital total, (Total Capital Investment), TCI, incluye el costo deequipo,EC, para la unidad entera de condensador refrigerado, el costo del equipo auxiliar,

impuestos, fletes y los costos de instrumentacin y directos e indirectos de instalacin. Todos

los costos en ste captulo se presentan en dlares del tercer trimestre de 19901.

Para stos sistemas de control, la inversin de capital total es una estimacin de costolimitada y no prevn la inclusin de servicios, apoyos ni caminos de acceso al sitio; ni elterreno, ni los servicios de reserva, ni el capital de trabajo, ni la investigacin y desarrollorequeridos; o las tuberas e interconexiones de instrumentacin que pueden ser requeridas enel proceso que genera el gas residual. stos costos son en base a instalaciones nuevas; no seincluyen los costos de reconversin. Los factores de los costos de reconversin son tanespecficos de cada sitio, que no se ha intentado proporcionarlos.

La exactitud esperada de las estimaciones de costos presentadas en ste captulo es de

30 por ciento (v.g.., estimaciones de estudio). Se debe tener en mente que an para unaaplicacin dada, los procedimientos de diseo y manufactura varan de un fabricante a otro,de manera que los costos pueden variar.

En las siguientes dos secciones, se presentan los costos de equipo para sistemas de

recuperacin de vapor de solvente, modulares y hechos a la medida, respectivamente. Con lossistemas modulares, el costo es un factor de los sistemas de refrigeracin hechos a la medida; elcosto de equipo se determina como la suma de los costos de los componentes individuales del

sistema. Finalmente, los costos de equipo para sistemas modulares de recuperacin de vapor degasolina, estn dados en la Seccin 2.4.3.

2.4.1 Costos de Equipo de Sistemas Modulares de Recuperacin de Vapor de

Solvente

Se les pidia los proveedores que proporcionaran estimaciones de costos de unidades derefrigeracin para una amplia gama de aplicaciones. Las ecuaciones que se muestran a continuacin,para costos de equipo de unidades de refrigeracin,EC

r, son regresiones multivariables de datos

proporcionados por dos proveedores y son vlidas solo para los rangos citados en la Tabla2.2.[8,9] En sta tabla, los rangos de capacidad de las unidades de refrigeracin para las cualesestuvieron disponibles los datos de costos, se muestran como una funcin de la temperatura.


21/49

2-19

Unidades de refrigeracin de una sola etapa (menos de 10 toneladas)

( )E C .r con= - T + R9 83 0 014 0 340. . ln (2.25)

Unidades de refrigeracin de una sola etapa (mayor o igual a 10 toneladas)

( )E C . .r co n= - T + R9 2 6 0 00 7 0 6 27. ln (2.26)

Unidades de refrigeracin de mltiples etapas

EC= exp (9.73 - 0.012T

con+ 0.584 lnR) (2.27)

Table 2.2:Rangos de Aplicabilidad de las Ecuaciones de Costo de Unidades de Refrigeracin(Ecuaciones 2.25 a 2.27)

Temperatura Tamao Mnimo Disponible Tamao Mximo DisponibleT

con(oF)a R(toneladas) R(toneladas)

Una Sola Mltiples Una Sola MltiplesEtapa Etapas Etapa Etapas

40 0.85 NAb 174 NA

30 0.63 NA 170 NA

20 0.71 NA 880 NA

10 0.44 NA 200 NA

0 a -5 0.32 NA 133 NA

-10 0.21 3.50 6.6 81

-20 a -25 0.13 2.92 200 68-30 NA 2.42 NA 85

-40 NA 1.92 NA 68

-45 a -50 NA 1.58 100c 55

-55 a -60 NA 1.25 100c 100

-70 NA 1.33 NA 42

-75 a -80 NA 1.08 NA 150

-90 NA 0.83 NA 28

-100 NA 0.67 NA 22

aPara temperaturas de condensacin entre los niveles descritos, redondear al lmite ms cercano (v.g., si Tcon

= 16F, utilice 20F) para determinar eltamao mnimo y mximo disponibles.bNA = Sistema no disponible segn datosdel proveedor recopilados en ste estudio.cSlo un dato puntual disponible


22/49

2-20

Las Ecuaciones 2.25 y 2.26 proporcionan los costos para unidades de refrigeracinbasados en diseos de una sola etapa, mientras que la Ecuacin 2.27 da los costos para unidadesde mltiples etapas. La Ecuacin 2.27 cubre los dos tipos de unidades de mltiples etapas, decascaday compuestas. Los datos proporcionados por el proveedor muestran que los costos

de unidades de cascada y compuestas son comparables, difiriendo generalmente por menos de30%.[8] De esta manera, solo se proporciona una ecuacin de costo. La Ecuacin 2.25 se aplicaa unidades de refrigeracin de una sola etapa de menos de 10 toneladas y la Ecuacin 2.26 se aplicaa unidades de refrigeracin de una sola etapa tan grandes o mayores a 10 toneladas. Las unidadesde una sola etapa tpicamente alcanzan temperaturas entre 40 y -20F, aunque hay unidadescapaces de alcanzar -60Fen una sola etapa.[8, 10] Las unidades de mltiples etapas son capacesde operar a temperaturas ms bajas, entre -10 y -100F.

En la Figura 2.5 se representan grficamente los costos de las unidades de refrigeracin deuna sola etapa para ciertas temperaturas seleccionadas. En la Figura 2.6 se muestran las curvas

de costo para unidades de refrigeracin de mltiples etapas.

(NOTA: En la Figura 2.5, las discontinuidades en las curvas para la capacidad de 10

toneladas son el resultado de dos ecuaciones de regresin utilizadas. La Ecuacin 2.2.5 esutilizada para capacidades de menos de 10 toneladas; la Ecuacin 2.26 es utilizada paracapacidades mayores o iguales a 10 toneladas.)

Figura 2.5:Costo de Equipo de Unidades de Refrigeracin (Una Sola Etapa) [8.9]

0

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

160,000

180,000

200,000

0 20 40 60 80 100

Capacidad (tons)

CostodeEquipo,

Dlaresdel3erTrimestrede

1990

-20oF0oF

20oF40oF


23/49

2-21

stos costos son para modelos para exteriores que estn montados en tarimas sobrevigas de acero y que consisten de los siguientes componentes: cubierta impermeable sobre la

que se puede caminar, mquina de refrigeracin de baja temperatura enfriada con aire, condiseo de bombas duales, depsito de almacenamiento, tablero de control e instrumentacin,condensador de vapor y la tubera necesaria. Las unidades de refrigeracin AR tienen dos

bombas: una bomba del sistema y una bomba de desvo (bypass) para que el condensadoropere con un circuito corto durante las condiciones sin carga. No se incluyen los costos de

los fluidos de transferencia de calor (salmuera). El costo de equipo de los sistemas modulares

de recuperacin de vapor (ECp), se estima que es 25 por ciento mayor que el costo solo de la

unidad de refrigeracin [9]. El costo adicional incluye el condensador de COV, el tanque derecuperacin, las conexiones necesarias, la tubera y la instrumentacin adicional. As:

E C . E Cp r= 1 2 5 (2.28)

El costo del equipo comprado (Purchased equipment cost), PEC, incluye el costo del

equipo modular,ECpy factores para impuestos sobre ventas (0.03) y fletes (0.05). En lasunidades modulares se incluyen la instrumentacin y los controles. De esta manera,

( )P E C E C + . + . . E C p p p= =1 0 0 3 0 0 5 1 0 8 (2.29)

Figura 2.6:Costo de Equipo de Unidades Refrigeracin (Multiples etapas)[9]

0

100,000

200,000

300,000

400,000

500,000

600,000

700,000

0 20 40 60 80 100

Capacidad (toneladas)

CostodeEquipo,

Dlaresdel3erTrimestrede

1990

-20o F

-30o F-40oF

-60o F

-80o F

-100o F


24/49

2-22

2.4.2 Costos de Equipo de Sistemas de Recuperacin de Vapor de Solvente no

Modulares (a la Medida)

Para desarrollar las estimaciones de costos para sistemas refrigerados no modulares

hechos a la medida, se solicit informacin de costos a los proveedores de unidades derefrigeracin, de condensadores de COV y de tanques de almacenamiento/recuperacin deCOV [9, 11, 12]. Las cotizaciones de los proveedores fueron utilizadas para desarrollar las

estimaciones de costos para cada tipo de equipo. Para cada tipo de equipo solo un conjunto de

datos del proveedor estuvo disponible.

Las Ecuaciones 2.25, 2.26, y 2.27 mostradas anteriormente, son aplicables para estimar

los costos de las unidades de refrigeracin. La Ecuacin 2.30 muestra la ecuacindesarrollada para estimaciones de costos del condensador de COV [11]:

E C co n co n= A +3 4 3 7 5 5, (2.30)

sta ecuacin es vlida para el rango de 38 a 800 ft2 y representa los costos paraintercambiadores de calor del tipo tubo rido y envoltura, con tubos de acero inoxidable 304.

La siguiente ecuacin representa los datos de costos del tanque de almacenamiento/recuperacin, obtenidos de un proveedor[12]:

E C tan k ta nk = V +2 7 2 1 9 60. , (2.31)

stos costos son aplicables para el rango de 50 a 5,000 relativo a tanques verticalesde acero inoxidable 316 .

Los procedimientos de costo para un pre-enfriador (ECpre

) que incluye una unidad

separada de condensador/refrigeracin y un tanque de recuperacin son similares a los de sistemasde condensador refrigerado construidos a la medida. Por lo tanto, las Ecuaciones 2.25 a la 2.31

seran aplicables, con excepcin de la Ecuacin 2.27, que representa a sistemas de mltiples etapas.Los sistemas de mltiples etapas operan a temperaturas mucho ms bajas que las requeridas porun pre-enfriador.

Los costos de equipo auxiliar, tal como conductos, tuberas, ventiladores o bombas, sondesignados comoEC

auz. Estos artculos deben ser costeados separadamente utilizando los

mtodos descritos en otras partes de ste Manual.

El costo total de equipo para sistemas hechos a la medida,ECcse expresa entonces como:


25/49

2-23

E C = E C + E C + E C + E C + E C c r c o n ta n k p re a u x (2.32)

El costo de equipo comprado, incluyendoECcy los factores para impuestos sobre ventas

(0.03), fletes (0.05) , instrumentacin y control (0.10), estdado a continuacin:

( )P E C E C E C c c c= + + + =1 0 0 3 0 05 0 10 1 1 8. . . . (2.33)

2.4.3 Costos de Equipo de Sistemas de Recuperacin de Vapor de Gasolina

Se obtuvieron cotizaciones separadas para sistemas modulares de recuperacin de vaporde gasolina, porque stos sistemas se disean especialmente para controlar emisiones de vaporde gasolina de fuentes tales como tanques de almacenamiento, terminales de gasolina en volumen

y navos con operaciones de carga y descarga. Los sistemas que controlan las operaciones de cargay descarga de gasolina de navos, tambin deben satisfacer los requisitos de seguridad de la GuardiaCostera de los Estados Unidos (U.S. Coast Guard).

Figura 2.7:Costo de Equipo de Sistemas de Recuperacin de Vapor deGasolina [9]

0

200,000

400,000

600,000

800,000

0 20 40 60 80 100 120

Capacidad (toneladas)

CostodeEquipo,

Dlares

delTercer

Trimestrede1990

0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000Capacidad (gal/min)


26/49

2-24

Se utilizaron cotizaciones obtenidas de un proveedor para desarrollar estimaciones

de costos de equipo para stos sistemas modulares (vase la Figura 2.7). La ecuacin de costomostrada a continuacin es una regresin por mnimos cuadradosde stos datos de costos y esvlida para un rango de 20 a 140 toneladas.[91]

E C Rp = +4 9 1 0 2 1 2 0 0 0, , (2.34)

Los datos del proveedor de capacidad de flujo del proceso (gal/min) vs. costo ($) fueron

transformados en la Ecuacin 2.34, despus de aplicar los procedimientos de diseo de laSeccin 2.3. En el Apndice B se dan los detalles de la transformacin de los datos.

Las estimaciones de costo se aplican a sistemas de condensador refrigerado de COV

montados en tarimas para la recuperacin de vapores de hidrocarburos, principalmente eninstalaciones de carga/descarga de gasolina. Los sistemas son operados intermitentemente

entre -80 y -120F permitiendo de 30 a 60 minutos al da para la descongelacin porcirculacin de salmuera tibia. Para alcanzar estas temperaturas ms bajas, se empleansistemas de mltiples etapas. Las eficiencias de remocin de COValcanzables para stossistemas estn en el rango del 90 al 95 por ciento.

El sistema modular incluye la unidad de refrigeracin con las bombas necesarias,compresores, condensadores/evaporadores, recipientes para el refrigerante, la unidad del

condensador de COV y el tanque de recuperacin de COV, el pre-enfriador, lainstrumentacin y controles y la tubera. No se incluyen los costos de los fluidos detransferencia de calor (salmuera). El costo del equipo comprado para estos sistemas incluye

impuestos sobre venta y fletes y se calcula utilizando la Ecuacin 2.29.

2.4.4 Costos de Instalacin

La inversin total de total (total capital investment), TCl, para sistemas modulares,se obtiene multiplicando el costo del equipo comprado PEC

ppor el factor de instalacin

total:[13]

T C I P E C= p1 1 5. (2.35)

Para los sistemas no modulares (hechos a la medida), el factor de instalacin total es 1.74:

T C I P E C= c1 7 4. (2.36)

En la Tabla 2.3 se muestra el desglose del factor total de instalacin para sistemas no modulares.Dependiendo de las condiciones del sitio, los costos de instalacin para un sistema dado puedendesviarse significativamente de los costos generados por estos factores promedios. Hay

instrucciones disponibles para ajustar estos factores promedio de instalacin.[14]


27/49

2-25

2.5 Estimacin de los Costos Totales Anuales

El costo total anual, (total annual cost), TAC, es la suma de los costos anuales

directos e indirectos. En la Tabla 2.4 se dan las bases utilizadas en el clculo de los factoresdel costo anual.

Tabla 2.3: Factores de Costo de Capital para Sistemas

de Condensadores Refrigerados

Concepto de Costo Factor

Costos de Equipo Comprado

Sistema de condensador refrigerado, EC Segn sea estimado, AInstrumentacin 0.10 A

Impuestos Sobre Venta 0.03 AFletes 0.05 A

Costos de Equipo Comprado, PEC B=1.18 Aa

Costos Directos de Instalacin 0.08 BCimientos y Soportes 0.14 B

Manejo y Levantamiento 0.08 B

Elctricos 0.08 BTuberas 0.02 BAislantes 0.10 B

Pintura 0.01 B

Costos Directos de Instalacin 0.43 B

Preparacin del Sitio Segn sea Requerido, SPEdificios Segn sea Requerido,Bldg.

Costos Directos Totales, DC 1.43B + SP + Bldg.

Costos Indirectos (Instalacin)

Ingeniera 0.10 BConstruccin y Gastos en el Campo 0.05 BHonorarios de Contratistas 0.10 B

Arranque 0.02 B

Pruebas de Funcionamiento 0.01 B

Contingencias 0.03 B

Costos Indirectos Totales, IC 0.31 B

Inversin de Capital Total =DC + IC 1.74 b +SP + Bldg.b

a El factor de costo de equipo comprado para sistemas modularese es 1.08 con instrumentacin includa.bPara sistemas modulares, la inversin de capital total = 1.15PEC

p.


28/49

2-26

Tabla 2.5: Requerimientos de Electricidad

Electricidad (E, kW/ton) Temperatura (oF)

1.3 40

2.2 20

4.7 -20

5.0 -50

11.7 -100

Tabla 2.4: Factores Sugeridos de Costo Anual para Sistemas de Condensadores

Refrigerados

Concepto de Costo Factor

Costo Directo Anual, DC

Mano de Obra de Operacin 1/2 hora por jornadaOperador 15% del operador

Supervisor

Materiales de Operacin

Mantenimiento

Mano de Obra 1/2 hora por jornada

Material 100% de mano de obra de

mantenimiento

Electricidad

a 40oF 1.3 kW/tona 20oF 2.2 kW/ton

a -20oF 4.7 kW/ton

a -50oF 5.0 kW/ton

a -100oF 11.7 kW/ton

Costos Indirectos Anuales, IC

Generales 60% de la totalidad de mano de

obra y costos de material de

mantenimiento

Cargos Administrativos 2% de la Inversin de Capital TotalImpuesto Predial 1% de la Inversin de Capital TotalPrima del Seguro 1% de la Inversin de Capital TotalRecuperacin de Capitala 0.1098 x Inversin de Capital Total

Crditos por Recuperacin, RC

COV Recuperado Cantidad Recuperada x horas de operacin

Costo Anual Total DC + IC - RC

aSuponiendo una vida del equipo de 15aos a 7%[13]. Vase el Captulo 2.


29/49

2-27

2.5.1 Costos Anuales Directos

Los costos directos anuales, (direct annual costs),DC, incluyen los costos de mano de

obra (de operacin y de supervisin), de mantenimiento (mano de obra y materiales) y de

electricidad. El costo de mano de obra de operacin se estima en 1/2-hora por cada turno de8 horas. El costo de mano de obra de supervisin se estima en15% del costo de la mano deobra de operacin. El costo de mano de obra de mantenimiento se estima en 1/2-hora por cadaturno de 8 horas.

Se supone que los costos del material de mantenimiento son iguales a los costos de la mano

de obra de mantenimiento.

Los costos de los servicios para sistemas de condensador refrigerado incluyen los

requerimientos de electricidad para la unidad de refrigeracin y las bombas/sopladores. Laenerga requerida por las bombas/sopladores es despreciable cuando se compara con losrequerimientos de energa de la unidad de refrigeracin. En la Tabla 2.5 se resumen losrequerimientos de electricidad para sistemas de condensador refrigerado:

stas estimaciones de costos fueron desarrollados a partir de literatura del productoproporcionada por un proveedor.[9] El costo de la electricidad, C

e, puede calcularse a partir

de la siguiente expresin:

CR

E peco mp resso r

e= s (2.37)

donde

s= horas de operacin del sistema (hr/ao)

pe

= costo de la electricidad

compressor

= eficiencia mecnica del compresor

2.5.2 Costos Indirectos Anuales

Los costos indirectos anuales (indirect annual costs),IC, se calculan como la suma de los

costos de recuperacin de capital, ms los costos generales y administrativos (G&A), otros gastos,impuestos prediales y primas de seguro. Se supone que los gastos generales son iguales al 60 por

ciento de la suma de los costos de operacin, de supervisin y mano de obra y materiales demantenimiento. En la Seccin 1 de este Manual se discuten los gastos generales.

El costo de recuperacin de capital del sistema, (system capital recovery cost), CRC,se basa en una vida estimada de 15 aos para el equipo.[13] (Para una discusin del costo derecuperacin de capital, vase la Seccin 1 del Manual ). Para una vida de 15 aos y un inters


30/49

2-28

del 7 por ciento, el factor de recuperacin de capital es 0.1098. El costo de recuperacin decapital del sistema se estima entonces por:

CRC= 0.1098 TCI (2.38)

Los costosG&A, los impuestos prediales y la prima del seguro se estiman por factores de

la inversin total de capital, tpicamente de 2 por ciento, 1 por ciento y 1 por ciento respectivamente.

Tabla 2.6:Datos del Problema de Ejemplo

Parmetros de la Corriente Valor

Velocidad de la Corriente de Entrada 100 scfmaTemperatura de la Corriente de Entrada 86oF

COV a ser Condensado Acetona

Fraccin Volumen de COV de Entrada 0.0375Eficiencia de Remocin de COV, Requerida .90

Constantes de la Ecuacin de Antoine para la Acetona:A 7.117

B 1210.595

C 229.664

Calor de Condensacin de la Acetonab 12,510 Btu/lb-moleCapacidad Calorfica de la Acetonac 17.90 Btu/lb-mole-oFCalor Especfico del Refrigerantec(etilenglicol) 0.65Btu/lb-oFCapacidad Calorfica del Airec 6.95 Btu/lb-mole-oF

Parmetros de Costo Anual Valor

Mano de obra de operacin $15.64/hrMano de obra de mantenimiento $17,2/hr

Electricidad $0.0461/kWh

Valor de Reventa de la Acetona $0.10/lba

Condiciones normales: 77o

Fy 1 atmsfera.bEvaluado al punto de ebullicin (134oF).cEstas propiedades fueron evaluadas a 77oF.


31/49

2-29

2.5.3 Crdito por Recuperacin

Si el COV condensado puede ser directamente reusado o vendido sin tratamiento

adicional, el crdito de sta operacin puede entonces ser incorporado en las estimaciones

del los costos totales anuales. La siguiente ecuacin se puede utilizar para calcular el crditopor recuperacin (RC) de COV:

R C W pvox , con vo c= (2.39)

donde

pCOV

= valor de reventa del COV recuperado($/lb)

WCOV,con

= cantidad de COV recuperado (lb/hr).

2.5.4 Costo Total Anual

El costo total anual, total annual cost, (TAC) se calcula como la suma de los costos

directos e indirectos anuales menos el crdito por recuperacin:

TAC= DC + IC - RC (2.40)

2.6 Problema de Ejemplo 1

El problema de ejemplo descrito en sta seccin, muestra como aplicar losprocedimientos de diseo del tamao y costo del sistema de condensador refrigerado alcontrol de una corriente venteada consistente de acetona, aire y una cantidad despreciable de

humedad. Este problema de ejemplo supone una eficiencia de remocin requerida y calculala temperatura necesaria para alcanzar ste nivel de control.

2.6.1 Informacin Requerida para el Diseo

El primer paso en el diseo del procedimiento es especificar la corriente de gas que va aser procesada. En la Tabla 2.6 se enlistan los parmetros de la corriente de gas, a ser utilizados enste ejemplo. Los valores para las constantes de la ecuacin de Antoine, calor de condensacin ycapacidad calorfica de la acetona se obtienen del Apndice 2A. El calor especfico del refrigerantese obtiene Manual del Ingeniero Qumicode Perry [4].

2.6.2 Diseo del Tamao del Equipo

El primer paso disear el tamao del condensador refrigerado es determinar lapresin parcial del COV a la salida del condensador para una eficiencia de remocindeterminada. Dada la razn de flujo de la corriente, la concentracin de COV a la entrada, sepuede calcular la presin parcial del COV utilizando la Ecuacin 2.5.


32/49

2-30

P =-

-=V O C 7 60

0 3 7 5 1 0 9 0

1 0 3 75 0 9 04 3

. ( . )

. ( . )m m H g

En seguida, se debe determinar la temperatura necesaria para condensar la cantidad

requerida de COV, utilizando la Ecuacin 2.7:

( )T lo gco n 10 =

-- + = F

1 2 1 0 5 9 5

7 1 17 43229 664 1 8 3 2 1 6

.

.. .

El siguiente paso es calcular la carga de calor del condensador de COV. Calcular: (1) la

razn de flujo del COV para las corrientes de emisiones de entrada/salida, (2) la razn de flujo del

COV condensado ,y (3) el balance de calor del condensador. El razn de flujo de COV en lacorriente de salida se calcula de la Ecuacin 2.8.

M = =voc, in1 00

3 9 30 3 75 6 0 5 7 4( . ) .

lb m o les

h r

La razn de flujo de COV en la corriente de salida se calcula utilizando la Ecuacin2.7, como sigue:

M = - =voc, out 5 7 4 1 0 9 0 0 5 74. ( . ) . lb m o lesh r

Finalmente, la razn de flujo del COV condensado se calcula con la Ecuacin 2.10:

M = -voc, con 5 7 4 0 5 74 5 1 66. . .= lb m o les

h r

Despus, se realiza el balance de calor del condensador. Tal como se indica en laTabla 2.6, se evala el calor de condensacin de la acetona a su punto de ebullicin, 134F. Sinembargo, se supone (para simplificar), que toda la acetona se condensa a la temperatura de

condensacin,Tcon= 16F. Para calcular el calor de condensacin a 16F, utilice la ecuacin deWatson (Ecuacin 2.13) con los siguientes datos:

Tc = 918R(Apndice A)

T1

= 134 + 460 = 594R

T2

= 16 + 460 = 476R.


33/49

2-31

Despus de substituir, obtenemos:

( )H F =V O C a t

-

-

B tu

lb m o le

16 12 510

14 76

9 18

1594

9 18

14 08 0

0 38

=

,

,

.

Tal como se muestra en la Tabla 2.6, se evalan las capacidades de calor de acetonay aire y el calor especfico del refrigerante a 77F. sta temperatura es bastante prxima a latemperatura promedio de operacin del condensador (v.g. 86 + 16)/2 = 51F.

Consecuentemente, utilizando los valores a 77F no agregar errores significativosadicionales al clculo de la carga de calor.

El cambio en entalpa del COV condensado se calcula utilizando la Ecuacin 2.12:

( )[ ]H B tuh rco n

= + - =5 1 6 6 1 4 0 8 0 1 7 9 0 8 6 1 6 7 9 2 1 0. , . ,

El cambio de entalpa asociado con el COV no condensado se calcula de la Ecuacin2.15:

( ) ( ) ( )H B tuh ru n c o n

= - =0 5 7 4 1 7 9 0 8 6 1 6 7 1 9. .

Finalmente, el cambio de entalpa de aire no condensable se calcula de la ecuacin 2.16:

( )HB tu

h rn o n c o n = - - =

10 0

3926 0 5 74 6 95 86 16 4 654

. . ,

La carga de calor del condensador es entonces calculada substituyendoHcon

, Huncon

, y

Hnonconen la Ecuacin 2.11:

H = + + =load 7 9 2 1 0 7 1 9 4 6 5 4 8 4 5 8 3, , , B tu

h r

El siguiente paso es la estimacin del tamao del condensador de COV. El promediologartmico de la diferencia de temperatura se calcula utilizando la Ecuacin 2.18. En ste


34/49

2-32

clculo:

Tcool,in

= 16 - 15 = 1F

Tcool,out

= 1 + 25 = 26F

de las ecuaciones 2.19 y 2.20, respectivamente:

( ) ( )T

-

-

lm =- - -

= F8 6 2 6 16 1

8 6 2 6

16 1

32 5

ln

.

El rea de la superficie del condensador puede entonces calcularse utilizando laEcuacin 2.17.

( )A,

f tco n = =8 4 5 83

20 32 513 0 2

.

En sta ecuacin, se utiliza un valor conservador de 20 Btu//hr-ft2-Fcomo el coeficientetotal de transferencia de calor.

La razn de flujo del refrigerante puede calcularse utilizando la Ecuacin 2.21.

( )W,

. -, lb

h rco o l = =8 4 5 83

0 6 5 2 6 15 2 0 5

La capacidad de refrigeracin puede ser estimada de la Ecuacin 2.22, como sigue:

R,

,= . ton s=

8 4 5 83

1 2 0 007 05

Finalmente, la cantidad de COV recuperado puede ser estimada utilizando la Ecuacin 2.23:

WCOV,con

= 5.166 x 58.08 = 300 lb/hr

donde el peso molecular de la acetona se obtiene del Apndice A.


35/49

2-33

Ntese que en ste ejemplo, la presin parcial de la acetona a la salida del condensares relativamente alta (43 mm Hg). En aplicaciones en las que se desean concentraciones de

salida mucho ms bajas, puede ser necesario considerar un segundo mecanismo de control(v.g., incinerador, adsorbedor), para operar en serie con el condensador.

2.6.3 Costos de Equipo

Una vez que han sido determinados los parmetros para disear el tamao del sistema,pueden calcularse los costos de equipo. Para el propsito de ste ejemplo, se estimarelcosto de un sistema de condensador refrigerado contruido a la medida, incluyendo una unidad

de refrigeracin, un condensador de COV, y un tanque de recuperacin.

De la Tabla 2.2, una unidad de refrigeracin de una sola etapa parece ser adecuadapara el problema de ejemplo, con una temperatura de condensacin aproximada a 16Fy unacapacidad de 7.05 toneladas. Entonces, para la estimacin de costos se selecciona laEcuacin 2.25, la cual es aplicable a unidades de menos de 10 toneladas. La aplicacin de staecuacin resulta en el siguiente valor para el costo de la unidad de refrigeracin:

( ) ( )[ ]E C . - . + . . = $ ,= exp ln9 83 0 014 1 6 0 34 0 7 05 2 8 855

El costo del condensador de COV se calcula utilizando la ecuacin 2.30, como sigue:

( )E C = + , = $ ,co n 34 130 3 775 8 1 95El costo del tanque de recuperacin puede ser calculado de la ecuacin 2.31. En ste caso,W

COV,con= 300 lb/hr, que equivale a 45.5 gal/hr (la densidad de la acetona es aproximadamente

6.6 lb/gal). Suponiendo una operacin diaria de 8 horas, la capacidad de almacenamiento temporalsera de 364 galones. La aplicacin de la ecuacin 2.31 conduce a lo siguiente:

( )E C = . + , = $ ,tank 2 7 2 36 4 1 960 2 950

Suponiendo que no hay costos adicionales debidos al pre-enfriador o a otro equipo auxiliar,

se calcula el costo total de equipo por la ecuacin 2.32:

ECc= 28,855 + 8,195 + 2,950 + 0 + 0 = $40,000


36/49

2-34

Tabla 2.7:Problema de Ejemplo: Costo Anual de un Sistema de Condensador Refrigerado

Concepto de Costo Clculos Costo

Costo Directo Anual, DC

Mano de Obra de Operacin

Operador 0.5h x turno x 2,080h x $15.64 $2,030

turno 8h ao h

Supervisor 15% of operador = 0.15 x 2,030 300

Materiales de Operacin -

Mantenimiento

Mano de obra 0.5h x turno x 2,080h x $17.21 2,240

turno 8h ao h

Materiales 100% mano de obra de mantenimiento 2,240

Servicios

Electricidad 7.05tons x 2.2kw x 2,080h x $0.0461 1,750

DC Total 0.85 Ton ao kwh $8,560

Costo Anual Indirecto, IC

Gastos generales 60% de la mano de obra y material para mantenimiento 4,090

= 0.6 (2,030 + 305 + 2,240 + 2,240)

Cargos Administrativos 2% de la Invesin de Capital Total =0.02($82,100) 1,640Impuesto Predial 1% de la Invesin de Capital Total =0.01($82,100) 820Prima del Seguro 1% de la Invesin de Capital Total =0.01($82,100) 820Capital de Recuperacina 0.1098 x $82,100 9,010IC Total $16,380

Crditos por Recuperacin, RC

Acetona Recuperada 300lb x 2,080h x $0.10 ($62,400)

h ao lb

Costo Total Anual (redondeado) ($37,500)

(Ahorros)

a El factor de costo de recuperacin de capital, CRF, es una funcin de la vida del condensador refrigerado y el costo deoportunidad del capital (v.g.tasa de inters). Por ejemplo, para una vida de equipo de 15 aos y una tasa de inters de 7%, CRF=0.1098.


37/49

2-35

El costo del equipo comprado incluyendo instrumentacin, controles, impuestos y fletes, secalcula utilizan la ecuacin 2.33:

( )P E C = . , = $ ,c 1 1 8 4 0 000 47 20 0

La inversin de capital total se calcula utilizando la ecuacin 2.36:

( )T C I = . , = $ ,1 74 47 000 8 2 128

2.6.4 Costo Total Anual

En la Tabla 2.7 se resumen los costos anuales estimados para el problema de ejemplo.

En la tabla se presentan los clculos de los costos. Los costos directos anuales para sistemasrefrigerados incluyen los costos de mano de obra, materiales y servicios. Los costos de mano

de obra estn basados en operaciones de 8-hr/da, 5-das/semana. La mano de obra desupervisin se calcula como el 15 por ciento de la mano de obra de operacin y los costos dela mano de obra de operacin y de mantenimiento estn basados cada uno en 1/2 hr porjornadas de 8-horas. El costo de la electricidad estbasado en un requerimiento de 2.2 kW/ton, porque la temperatura de condensacin (16F) estcerca de la temperatura de 20Fdada paraste valor. Los costos anuales indirectos incluyen otros gastos, capital de recuperacin, gastosadministrativos, impuestos prediales y primas del seguro.

El costo total anual se calcula utilizando la Ecuacin 2.40. Para el caso de este ejemplo,

la aplicacin de condensacin refrigerada como medida de control, resulta en ahorros anuales de$37,500. Tal como se muestra en la Tabla 2.7, el crdito por la recuperacin de la acetona esms del doble de los costos directos e indirectos combinados. Claramente, este crdito tiene msinfluencia en el costo total anual que cualquier otro componente. Aunque el crdito depende de tresparmetros- la razn de recuperacin de la acetona, las horas de operacin anuales y el valor deacetona recuperada ($0.10/lb), es el ltimo parmetro el ms difcil de calcular. Esto esprincipalmente porque el valor de la acetona recuperada vara de acuerdo a la ubicacin de lainstalacin, ascomo del estado actual del mercado de las substancias qumicas.

2.7 Problema de Ejemplo 2

Enste problema ejemplo, se ilustra el procedimiento alternativo de diseo descrito en laSeccin 2.3.8. La temperatura de condensacin es dada y se calcula la eficiencia de remocinresultante. Los parmetros de la corriente de entrada del ejemplo son idnticos a los del Problemade Ejemplo 1, con la excepcin de que no se especifica la eficiencia de remocin y se supone quela temperatura de condensacin es de 16F.


38/49

2-36

2.7.1 Informacin Requerida para el Diseo

El primer paso es calcular la presin parcial del COV a la temperatura especificada

(16F) utilizando la Ecuacin 2.6 para resolver para PCOV:

Recurdese de convertir Tcon

a grados Centgrados, i.e., 16F= -8.9C.

Substituyendo los valores para las constantes de la ecuacin de Antoine para acetona, tal comoestn listados en la Tabla 2.6:

PCOV

= 43 mm Hg.

Utilizando la Ecuacin 2.24, la eficiencia de remocin es:

Q = Rg .8 3 9

El resto de los clculos en ste problema son idnticos a los del Problema de Ejemplo 1.

2.8 Reconocimientos

H = Qlo a d g1 4 3

R =H

= Qload

g1 2 0 0 0

0 0119,

.


39/49

2-37

Los autores reconocen agradecidamente a las siguientes compaas por contribuir condatos para este captulo:

Edwards Engineering (Pompton Plains, NJ)

Piedmont Engineering (Charlotte, NC)

Universal Industrial Refrigeration (Gonzales, LA)

ITT Standard (Atlanta, GA)

XChanger (Hopkins, MN)

Buffalo Tank Co. (Jacksonville, FL)

Referencias

[1] Erikson, D.G., Organic Chemical Manufacturing Volume 5: Adsorption, Conden-

sation, and Absorption Devices, U.S. Environmental Protection Agency. Research Tri-

angle Park, North Carolina, Publication No. EPA 450/3-80-027, December 1980.

[2] Vatavuk, W.M., and R.B. Neveril, Estimating Costs of Air Pollution ControlSystems: Part XV1. Costs of Refrigeration Systems, Chemical Engineering, May 16,1983, pp. 95-98.

[3] McCabe, W.L., and J.C. Smith, Unit Operations of Chemical Engineering(ThirdEdition), McGraw-Hill Book Company, New York, 1976.

[4] Perry, R.H. and C.H. Chilton, Eds. Chemical EngineersHandbook(Sixth Edi-

tion), McGraw-Hill Book Company, New York, 1989.

[5] Kern, D.Q., Process Heat Transfer, McGraw-Hill Book Company, New York,

1950

[6] Smith, J.M., and M.C. VanNess,Introduction to Chemical Engineering Thermody-

namics(Third Edition), McGraw-Hill Book Company, New York, 1975.

[7] Reid, Robert C., John M. Prausnitz, and Bruce E. Poling, Properties of Gases &

Liquids(Fourth Edition), McGraw-Hill Book Company, New York, 1987.

[8] Carta y anexo de Robert V. Sisk. Jr. de Piedmont Engineering, Pineville, North

Carolina, a Wiley Barbour de Radian Corporation, Research Triangle Park, North Caro-


40/49

2-38

lina, January 28, 1991.

[9] Carta y anexo de Waldrop, R., y V. Sardo de Edwards Engineering Corp., Pompton

Plains, New Jersey, a Wiley Barbour de Radian Corporation, Research Triangle Park,

North Carolina, Octubre 1, 1990.

[10] Price, Brian C., Know the Range and Limitations of Screw Compressors,Chemi-cal Engineering Progress, 87(2):50-56.

[11] Carta y anexo de Bob Hansek of ITT Corporation, Atlanta, Georgia a Wiley Barbour

de Radian Corporation, Research Triangle Park, North Carolina, Octubre 10, 1990.

[12] Carta y anexo de Avery Cooke de Liquid Handling Equipment, Inc., Charlotte, North

Carolina a Rich Pelt de Radian Corporation, Research Triangle Park, North Carolina,

Septiembre 20, 1990.

[13] Carta y anexo de Richard Waldrop de Edwards Engineering Corp., Pompton Plains,

New Jersey a William Vatavuk, P.E., Durham, North Carolina, August 29, 1988.


41/49

2-39

Apndice A

Propiedades de Compuestos Seleccionados


42/49

2-40

Critical Punto de Peso Calor de Capacidad Estado

Compuesto Temp.a Ebullicin Molecular Condensacinb Capacityc

( R) ( F) (lb/lb-mole) (Btu/lb-mole)

Acetona 918 134 58.08 12,510 30.22 Liquido

17.9 GasAcetileno 555 -119 26.02 7,290 10.5 Gas

Acrilonitrilo - 171 53.06 14,040 15.24 GasAnilina 1259 364 93.13 19,160 45.9 Liquido

25.91 GasBenzeno 1012 176 78.11 13,230 19.52 LiquidoBenzonitrilo 1259 376 103.12 19,800 26.07 Gas

Butano 766 31 58.12 9,630 23.29 GasCloroetano 829 54 64.52 10,610 14.97 Gas

Cloroformo 966 143 119.39 12,740 15.63 GasClorometano 750 -12 50.49 9,260 9.74 Gas

Ciclobutano - 55 56.1 10,410 17.26 GasCiclohexano 997 177 84.16 12,890 37.4 Liquido

25.4 Gas

Ciclopentano 921 121 70.13 11,740 30.8 Liquido19.84 Gas

Ciclopropano 716 -27 42.08 8,630 13.37 GasEter Dietlico 840 94 74.12 11,480 40.8 Liquido

26.89 GasDimetilamina 788 44 45.09 11,390 16.5 GasEtilbenzeno 1111 277 106.17 15,300 30.69 Gas

Oxido Etileno 845 51 44.05 10,980 11.54 Gas

Heptano 973 209 100.12 13,640 53.76 Liquido39.67 Gas

Hexano 914 156 86.18 12,410 45.2 Liquido

34.2 GasMetanol 923 148 32.04 14,830 19.4 Liquido

10.49 GasOctano 1024 258 114.23 14,810 45.14 GasPentano 846 97 72.15 11,090 28.73 Gas

Tolueno 1065 231 92.14 14,270 37.58 Liquido24.77 Gas

o - Xileno 1135 292 106.17 15,840 44.9 Liquido31.85 Gas

m - Xileno 1111 282 106.17 15,640 43.8 Liquido

30.49 Gasp - Xileno 1109 281 106.17 15.48 30.32 Gas

a Reimpreso con permiso del Manual de Qumica de Lange (doceava edicin), Tabla 9-7.[15]bReimpreso con permiso del Manual de Qumica de Lange (doceava edicin), Tabla 9-4.[15](Medido a punto de ebullicin)c Reimpreso con permiso del Manual de Qumica de Lange (doceava edicin), Tabla 9-2.[15](Medida 77 F.)

BtulbmoleF

Tabla 2.8: Propiedades de Compuestos Varios


43/49

2-41

Rango de

Compuesto Constantes de Antoine Temperatura A B C Vlida ( F)

Acetona 7.117 1210.596 229.66 Liquido

Acetileno 7.1 711 253.4 -116 to -98Acrilonitrilo 7.039 1232.53 222.47 -4 to 248

Anilina 7.32 1731.515 206.049 216 to 365Benzeno 6.905 1211.033 220.79 46 to 217

Benzonitrilo 6.746 1436.72 181 Liquido

Butano 6.809 935.86 238.73 -107 to 66Cloroetano 6.986 1030.01 238.61 -69 to 54

Cloroetileno 6.891 905.01 239.48 -85 to 9Cloroformo 6.493 929.44 196.03 -31 to 142

Clorometano 7.0933 948.58 249.34 -103 to 23

cido cinico 7.569 1251.86 243.79 -105 to 21Ciclobutano 6.916 1054.54 241.37 -76 to 54Ciclohexano 6.841 1201.53 222.65 68 to 178Ciclopentano 6.887 1124.16 231.36 -40 to 162

Ciclopropano 6.888 856.01 246.5 -130 to -26

ter dietlico 6.92 1064.07 228.8 -78 to 68Dietilamina 5.801 583.3 144.1 88 to 142Dimetilamina 7.082 960.242 221.67 -98 to 44

Dioxano - 1,4 7.432 1554.68 240.34 68 to 221Etil benceno 6.975 1424.255 213.21 79 to 327

xido de Etileno 7.128 1054.54 2371.76 -56 to 54Heptano 6.897 1264.9 216.54 28 to 255Hexano 6.876 1171.17 224.41 -13 to 198

Metanol 7.897 1474.08 229.13 7 to 149Octano 6.919 1351.99 209.15 66 to 306

Pentano 6.853 1064.84 233.01 -58 to 136Tolueno 6.955 1344.8 219.48 43 to 279

Acetato de vinilo 7.21 1296.13 226.66 72 to 162o - Xileno 6.999 1474.679 213.69 90 to 342m - Xileno 7.009 1462.266 215.11 82 to 331

p - Xileno 6.991 1453.43 215.31 81 to 331

a Reimpreso con permiso del Manual de Qumica de Lange(doceavaedicin), Tabla 10-8.[15]

Tabla 2.9: Constantes de la Ecuacin de Antoine para compuestosvariosa


44/49

2-42

Apndice B

Documentacin para

Datos de Costo de Sistemas de

Recuperacin de Vapor de Gasolina


45/49

2-43

Como es mencionado en la Seccin 2.3, los datos de costo del proveedor que fueron obtenidos,relacionaban el costo ($) del sistema de paquete de recuperacin al proceso de capacidaddel flujo del proceso (gal/min). stos datos necesitaban transformarse, para poder desarrollarla Ecuacin 2.34, la cual relaciona el costo del equipo ($) al la capacidad del sistema de

refrigeracin (R, toneladas), de la siguiente manera:

ECp= 4,910R+ 212,000

Para hacer sta transformacin, necesitamos desarrollar una expresin que relacione a lacapacidad de flujo con la capacidad de refrigeracin. El primer paso fue determinar lapresin parcial de entrada (P

VOC,in) de la gasolina- COV, en ste caso. Como fue hecho en la

seccin 2.3.1, se asumique el vapor de COV fue saturado y, por lo tanto en equilibrio conel lquido de COV. sto, a su vez, significque se podra igualar la presin parcial a lapresin del vapor. La gasolina modelohaba recibido una presin de vapor Reid de 10 y

un peso molecular de 66 lb/lb-mole, como es mostrado en la seccin 4.3 de la Compilacinde Factores de Emisin de Contaminantes de Aire (Compilation of Air Pollutant EmissionFactors FPA publication AP-42, Fourth Edition, September 1985). Para sta gasolina, lassiguientes constantes de la ecuacin de Antoine fueron usadas:

A = 12.5733

B = 6386.1

C = 613

stas constantes fueron obtenidas al extrapolar los datos disponibles de la presin de vaporvs. la temperatura encontrados en la seccin 4.3 de AP-42. Despus de substituir stas

constantes y asumir una temperatura de entrada de 77F (25C) en la ecuacin de Antoine dy resolviendo por la presin parcial de entrada (P

voc,in) Obtenemos:

lo g P AB

T C

= . -.

+

P m m H g

V OC, inin

V OC, in

= +

=

1 2 5 73 36 3 8 6 1

25 61 3

366

Si el sistema opera a presin atmosfrica (760 mm Hg), sta presin parcial correspondera la fraccin de volmen de COV en el flujo de entrada:

ym m

m m.V O C , i n = =

3 66

7 600 4 8 2


46/49

2-44

La presin parcial de salida (Pvoc,out

) y la fraccin de volmen son calculados de formasilimar. La temperatura de condensacin (salida) usada en stos clculos es de -80F (-62C), la temperatura tpica de operacin para sistemas de recuperacin de vapor para loscuales el proveedor suplicostos.

lo g P ..

P . m m H g

V O C , o u t

V O C , o u t

= +

=

1 2 5 73 36 3 8 6 1

62 613

9 62

sto corresponde a la fraccin de volmen en el flujo de salida (yvoc,out

) de:

y. m m

m m.V O C , o u t = =

9 62

76 00 0 1 2 7

La susbstitucin dePVOC,outyyVOC,inen la ecuacin 2.24 nos da la eficiencia de eliminacindel condensador ():

( )( )=

=760 0 482 9 62

0 48 2 760 9 620 9 8 6

. .

. ..

El prximo paso es determinar los flujos molares por horas (Mvoc,in

and Mvoc,out

,

respectivamente). Como se muestra en la ecuacin 2.8,Mvoc,in

es la funcin deyvoc,in

y el flujo

volumtrico total de entrada, Qin, (scfm).

Ahora, debido a que la velocidad del flujo de vapor de gasolina son tpicamente expresadosen galones/minuto, debemos convertirlos a scfm. sto se hace de la siguiente manera:

Q Qg a l

ft

. g a l. Q scfmin g g=

=m in

1

7 480 1 3 4

3

Substituyendo stas variables en la ecuacin 2.8, obtenemos:

( ) ( )M. Q

. . Q

lb mo le

h rVOC , i ng

g= =

0 1 3 4

392 0 482 60 0 0 0989

ObtenemosMVOC,out

de la ecuacin 2.9:

( )M . Q . . Qlb mo le s

h rV O C ,o ut g g= =

0 009 89 1 0 98 6 1 38 10 4


47/49

2-45

Y segn la ecuacin 2.10, la cantidad de vapor de gasolina condensado (Mvoc,con

) es la

diferencia entreMVOC,in

yMvoc,out

:

M Qlb m oles

h rV O C con g, .=

0 0 09 7 5

El paso final es calcualar la carga de calor del condensador. sta carga es una funcin de lasrazones molares de entrada, salida, y condensado, las temperaturas de entrada y condensacin,las capacidades de calor del COV y del aire, y el calor de condensacin del COV. Lacapacidad de calor del VOC y los datos del calor de condensacin usados son basados enlas propiedades qumicas del butano y pentano, los mayores componentes de gasolina, yfueron obtenidos de Los Datos de Riesgo Qumicos de CHRIS (CHRIS Hazardous Chemi-cal Data U.S. Coast Guard, U.S. Department of Transportation, June 1985).

Capacidades de calor (Btu/Ib-mole-F):

Cp,VOC

= 26.6

Cp,air

= 6.95

Calor de condensacin de COV: 9,240 Btu/Ib-mole

Substituyendo stos datos, las razones de flujo molar y las temperaturas en las ecuaciones2.12, 2.15 y 2.16 obtenemos los siguientes cambios de entalpa en Btu/hr:

Hcon = 130.8QgH

uncon= 0.572Q

g

Hnoncon

= 11.6Qg

La carga de calor del condensador (Hload

) es la suma de stos tres cambios de entalpa(Ecuacin 2.11):

Hload

= 143Qg

La capacidad de refrigeracin (R, toneladas) es calculada de la ecuacin 2.22:

RH

Qload

g= =12 0000 0 1 1 9

,.

sta ltima ecuacin relaciona la capacidad de refrigeracin (toneladas) a la razn de flujodel vapor de gasolina de entrada(gal/min). Resolviendo por Q

g, en terminos deR, obtenemos:

Qg= 83.9R


48/49

2-46

Finalmente, substituimos sta relacin en la correlacin de costo del equipo ($) vs. razndel flujo de vapor (Q

g) , la cual fudesarrollada de la los datos de costo del proveedor:

ECp

= 58.5Qg+ 212,000

= 58.5(83.9R) + 212,000= 4,910R+ 212,000

Ntese que sta expresin es idntica a la ecuacin 2.34.


49/49

TECHNICAL REPORT DATA(Please read Instructions on reverse before completing)

1. REPORT NO.

452/B-02-0022. 3. RECIPIENT'S ACCESSION NO.

4. TITLE AND SUBTITLE

Manual de Costos de Control de Contaminacion del Aire

de la EPA

5. REPORT DATE

July, 2002

6. PERFORMING ORGANIZATION CODE

7. AUTHOR(S)

Daniel Charles Mussatti

8. PERFORMING ORGANIZATION REPORT NO.

9. PERFORMING ORGANIZATION NAME AND ADDRESS

U.S. Environmental Protection Agency Office of Air Quality Planning and Standards Air Quality Standards and Strategies Division Innovative Strategies and Economics Group Research Triangle Park, NC 27711

10. PROGRAM ELEMENT NO.

11. CONTRACT/GRANT NO.

12. SPONSORING AGENCY NAME AND ADDRESS

Director Office of Air Quality Planning and Standards Office of Air and Radiation U.S. Environmental Protection Agency Research Triangle Park, NC 27711

13. TYPE OF REPORT AND PERIOD COVERED

Final

14. SPONSORING AGENCY CODE

EPA/200/04

15. SUPPLEMENTARY NOTES

Updates and revises EPA 453/b-96-001, OAQPS Control Cost Manual, fifth edition (in English only)

16. ABSTRACT

In Spanish, this document provides a detailed methodology for the proper sizing and costing of numerous airpollution control devices for planning and permitting purposes. Includes costing for volatile organiccompounds (VOCs); particulate matter (PM); oxides of nitrogen (NOx); SO2, SO3, and other acid gasses;and hazardous air pollutants (HAPs).

17. KEY WORDS AND DOCUMENT ANALYSIS

a. DESCRIPTORS b. IDENTIFIERS/OPEN ENDED TERMS c. COSATI Field/Group

EconomicsCostEngineering costSizingEstimationDesign

Air Pollution controlIncineratorsAbsorbersAdsorbersFiltersCondensersElectrostatic PrecipitatorsScrubbers

18. DISTRIBUTION STATEMENT 19. SECURITY CLASS (Report)

Unclassified21. NO. OF PAGES

1 400

Manual de Costos de Control de Contaminacion del Aire

controles de cov

Documents