UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA EVALUACION EXPERIMETAL DE LA EFICIENCIA GLOBAL DE LA COLUMNA DE DESTILACION DEL LABORATORIO DE OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS, USANDO UN REHERVIDOR DE CALENTAMIENTO INDIRECTO TESIS Para ptar el títul prfesinal de Ingenier Químic PRESENTADO POR: Bach. REYMUNDO SOTO, Enma Bach. VILCHEZ ALVA, Cnsuel Francisca HUANCAYO - PERU

2 ASESOR: ING. ORLANDO, VILCA MORENO 2

3 DEDICATORIA Dedicad a mi mamá Nerida Anatlia pr su ejempl de craje y valr frente a la vida, a mi papá Adlf Víctr pr sus enseñanzas y su fuerza de vluntad frente a las dificultades, a mis hermans Danitza, Edisn, Gustav pr sus palabras de alient en ls mments más difíciles y su incndicinal apy y a tdas aquellas persnas que Dis pus en mi camin ls cuales fuern mi guía y un gran apy para la culminación de este gran pas, anhel mí, de mi familia, y de mis grandes amigs. Cnsuel. Dedicad a mi papá Epifani pr sus palabras de alient, a mi mamá Patricia pr su fuerza de empuje y las ganas que le pne para hacer las csas; y mis hermans Emilian, Rland, Justina, Gladis, Juan quienes me apyarn en ls buens y mals mments de mi vida y nunca vacilarn y a aquellas persnas que de alguna u tra manera me apyarn cn sus criticas y cmentaris haciend realidad este pryect, lgrand así cumplir el sueñs y deses. Enma. 3

4 AGRADECIMIENTO Agradecems en primer lugar a Dis, quien ns brinda vida, salud, inteligencia, guía y cuidad hasta hy, que ha permitid hacer realidad nuestr dese de lgrar esta tesis, y de vivir en tu misericrdia, tu amr, tus prmesas, tu paz y seguridad en las pruebas que pndrás en nuestr camin..!gracias Señr! Nuestr etern agradecimient padres querids, pr el sublime dese de verns realizads, lgr que es vuestra satisfacción. Este agradecimient va más allá de las palabras, que sl el tiemp sabrá saldar. Agradezc al Ing Elias Sanabria, pr vuestra paciencia, pr vuestra simpatía, pr vuestra cmprensión, y Gracias a cada un de nuestrs amigs y cmpañers, pr vuestra simpatía y amistad, pr sus brmas que cada día le daban un matiz cálid a nuestra vida estudiantil, gracias Facultad de Ingeniería Química pr albergarns en tus aulas, pr que en tu sen crecims y ns hems frmad Finalmente; Gracias a tds!... y. que Dis ls bendiga! LOS AUTORES 4

5 RESUMEN Actualmente la Facultad de Ingeniería Química cuenta cn una clumna multiprpósits de 20 plats perfrads de 5 de diámetr y 141,73 de altura, cn sus respectivs equips auxiliares: tanque de alimentación, cndensadr y bmba. La dificultad que presentaba la Clumna para destilar es que el vapr que ingresa tenia cntact cn ls cmpnentes de alimentación l cual generaba un prduct de baja cncentración, pr tal mtiv fue necesari instalar un rehervidr. Ante este panrama, el bjetiv trazad fue el de diseñar, cnstruir un rehervidr y instalar en la clumna de destilación multiprpósits, y evaluar Para lgra nuestr bjetiv, se prcedió a rediseñar la clumna a fin de verificar ls parámetrs de diseñ invlucrads, de md que, a partir de ells se realizara el diseñ y cnstrucción de ls intercambiadres usand el métd Efectividad del intercambiadr de calr; una vez instalads se prcedió a su puesta en marcha. pryect se prpne evaluar experimentalmente en la clumna de destilación, mediante la instalación de un rehervidr de calentamient indirect, para btener un destilad cn mayr cncentración y lgrar una mayr eficiencia en la clumna, para ell se diseñará, cnstruirá e instalará un rehervidr realizand Balance de materia y energía. Se utilizara una metdlgía experimental. El pryect tiene un cst aprximad de S/. 3,500 nuevs sles, este cst va ha ser slventad pr recurss prpis. El Labratri de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacinal del Centr del Perú Huancay, cuenta cn una clumna de destilación de múltiple etapas de equilibri incmpleta, que fue diseñada y cnstruida, per cuy funcinamient n se di pr la falta del cndensadr y rehervidr, elements fundamentales en este tip de separadres, que ha pstergad su emple en la labr dcente para el que fue cnstruid. Ante este panrama, el bjetiv trazad fue el de diseñar y cnstruir el cndensadr y rehervidr y pnerl en servici para la juventud estudisa de la Facultad. Para lgra nuestr bjetiv, se prcedió a rediseñar la clumna a fin de verificar ls parámetrs de diseñ invlucrads, de md que, a partir de ells se realizara el diseñ y cnstrucción de ls intercambiadres usand el métd Efectividad del intercambiadr de calr; una vez instalads se prcedió a su puesta en marcha. De ls resultads del diseñ se bserva que el cndensadr cnsta de ds placas y el rehervidr de tres placas de acer inxidable serie 316 respectivamente, cada un cn fluj de fluids en cntracrriente. De las crridas experimentales en la puesta en marcha, se btuv cncentracines de destilad de etanl de 76 % ml, que cncuerda cn ls cálculs teórics de rediseñ de la clumna y ls referids en la literatura especializada para la presión de trabaj, además que cada una de las partes de la clumna reprduce cn gran precisión el fenómen de la peración de destilación. 5

6 INTRODUCCIÓN En la mayría de las plantas de prcess se presenta la necesidad de transferir energía entre fluids de fluids a sólids, tant para calentar, enfriar, evaprar cm para efectuar tratamients térmics, etc. Esta peración cumple muchas veces un papel fundamental en el prcedimient de elabración ya que de ella puede depender la calidad de un prduct la eficiencia del prces mism en cuestión, en dnde las temperaturas sn parámetrs crítics En muchas situacines estas peracines de transferencia de calr deben efectuarse en tiemps muy crts, a altas velcidades de transmisión, dad que alguns de ls prducts pueden alterarse. La separación de ls cmpnentes de las mezclas en la destilación se basa en ls diferentes punts de ebullición que tienen cada cmpnente de la mezcla así cm también las vlatilidades relativas de cada cmpnente, ya que pr medi de la temperatura de peración que se acndicine al equip, alguns cmpnentes se vlatilizaran primer ls que alcancen su temperatura de ebullición quedand aun ls que n la alcanzarn hasta ese instante. Así se lgran separar ds cmpnentes muchs más, dadas las cndicines del sistema, est quiere decir a cierta temperatura y presión de peración. La destilación se realiza pr medi de las clumnas, ests equips cnstan de un cuerp que es el principal sprte de la mezcla y es en dnde se clcan ls plats perfrads, rellen, etc. Y de un rehervidr y cndensadr. Diseñar una clumna de destilación n es un asunt cmplicad per si requiere de infrmación; el diseñ del rehervidr y del cndensadr, partes esenciales de la clumna también se trna tedisa mas n cmplicada, realizand cálculs se determina el área de transferencia a de calr. Ls intercambiadres de placas sn equips muy difundids en la Industria de Prcess cubriend una amplia gama de aplicacines. Presentan características especiales tant en su diseñ cm en la peración que ls hace mtiv de un estudi particular La mayr parte de la literatura sbre ls intercambiadres de placas prviene de ls fabricantes de equips (quienes pseen el knw-hw) y su difusión está generalmente restringida al ámbit industrial, es decir entre sus usuaris, es un esfuerz piner del diseñ, cnstrucción, instalación y puesta en marcha de este equip que tien muchas ventajas respect a trs intercambiadres de calr. LOS TESISTAS 6

7 OBJETIVOS OBJETIVOS GENERAL Evaluar experimentalmente la eficiencia glbal de la clumna multiprpósits del Labratri de Operacines y Prcess Unitaris, usand un rehervidr de calentamient indirect. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Diseñar un rehervidr (intercambiadr de placas) para la puesta en peración de la clumna de destilación. Cnstruir el rehervidr (intercambiadr de placas) para la puesta en peración de la clumna de destilación. Acndicinar el rehervidr (intercambiadr de placas) a la clumna de destilación para mantener la temperatura de peración adecuada para una mezcla etanl y agua. Operar la clumna de destilación utilizand la mezcla Etanl-Agua en el Labratri de Operacines y Prcess Unitaris de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacinal del Centr del Perú. 7

8 TABLA DE CONTENIDOS DEDICATORIA I AGRADECIMIENTO Ii RESUMEN Iii INTRODUCCION Iv OBEJTIVOS v TABLA DE CONTENIDOS ÍNDICE DE TABLAS ÍNDICE DE FIGURAS INDICE DEL APENDICE NOMENCLATURA CAPITULO I REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 1.1 DESCRIPCIÓN DE LA COLUMNA MULTIPROPÓSITOS 1.2 DESTILACION 1.3 PROCESO DE DESTILACIÓN CONTINUA Temperatura de tpe Temperatura de tpe en mezclas binarias: Métd grafic Temperaturas de tpe en mezclas binarias: métd de Ddge Temperatura de fnd Temperatura de fnd en mezclas binarias: Métd grafic Temperaturas de fnd de mezclas binarias: Métd de Ddge Vlatilidad relativa Métd prmedi aritmétic Métd del prmedi gemétric de Gallagher DISEÑO DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN PARA MEZCLA BINARIAS El métd de McCabe-Thiele Cnstrucción del diagrama de equilibri Calcul de las cmpsicines mlares Calcul de la línea de peración en la zna de rectificación Línea de peración en la zna de agtamient Línea de alimentación línea q DETERMINACION DE NUMEROS DE ETAPAS DE EQULIBRIO TEORICO: NT Determinación de la relación de refluj mínim Rm 8

9 1.5 REHERVIDOR 1.5.1Rehervidr Ttal Rehervidr Parcial 1.6 INTERCAMBIADORES DE CALOR Tips de intercambiadres de calr INTERCAMBIADORES DE PLACA A) COSTO INICIAL Y COSTOS DE OPERACIÓN B) CARACTERÍSTICAS C) DISPOSICIÓN DE LAS PLACAS E) MODELOS DE FLUJO Y ARREGLOS F) CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO G) PROCEDIMIENTO DE DISEÑO CAPITULO II DISEÑO DEL REHERVIDOR 2.1 DISEÑO DEL REHERVIDOR TIPO PLACAS Balance Térmic en Fnd de la Clumna Cálcul de fluj másic del vapr viv: ms a) Dats dispnibles b) Cálcul del calr latente de vaprización en el fnd de la HV clumna: Cálcul del calr latente del vapr viv que ingresa al rehervidr: HS Cálcul del Área de Transferencia de Calr del Rehervidr: AREHERVIDOR a) Cálcul de la temperatura media lgarítmica ( Tml ) b) c) Calcul del ceficiente de transferencia de calr d) e) Calcul del área ttal f) Calcul del númer de placas del rehervidr ( N p ) 2.1 CONSTRUCCIÓN DEL INTERCAMBIADOR MATERIALES Y EQUIPOS PARA LA CONSTRUCCIÓN DEL EQUIPO a) Materiales b) c) Equips d) PASOS DE LA CONSTRUCCIÓN SE EXPLICAN A CONTINUACIÓN CAPÍTULO III MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS 3.1 MATERIALES Materia prima 9

10 3.1.2 Materiales de labratri Equips Instruments 3.2 PROCEDIMIENTO DE LA CORRIDA EXPERIMENTAL ETANOL-AGUA Prcedimient previ Prcedimient de peración 3.3 CALDERO DEL LABORATORIO DE OPERACIONES Y PROCESOS UNITARIOS 3.4 PREPARACIÓN DE LA MEZCLA DE ALIMENTACIÓN 3.5 MEDICIÓN DEL ÍNDICE DE REFRACCIÓN Curva de calibración Prcedimient experimental. CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 REDISEÑO DE LA COLUMNA Especificacines de las crrientes de alimentación, de residu y destilad Cnversión de QF a unidades mlares Balance de Materia alrededr de la Clumna Cálcul de la Pendiente de la línea de alimentación Cálcul de la Relación de Refluj Mínim en la Clumna Rm Cálcul de la rdenada en el rigen a la cndición mínima bm Cálcul de la Relación de Refluj Extern para la Clumna R Cálcul de la Ordenada en el Origen a la Relación de Refluj Extern para la Línea de Operación de la Zna de Rectificación br Cálcul del Númer de Etapas de Equilibri Teóric Cálcul de la eficiencia Cálcul de Fluj de Vapr en la Clumna Cálcul del pes mlecular medi en destilad: M D Cálcul de fluj de masa en destilad: m D Cálcul de temperatura de referencia a cndicines nrmales T 10

11 Cálcul de la temperatura media de la clumna Tm 4.2 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE COMPOSICION MOLAR EN EL FONDO Y TOPE DELA COLUMNA 4.3 MEDICIONES DE TEMPERATURA EN ENTRADA Y SALIDA DE VAPOR VIVO EN EL REHERVIDOR DE PLACAS IMPLEMENTADA 4.4 MEDICIONES DE TEMPERATURA EN ENTRADA Y SALIDA DE MEZCLA ETANOLAGUA EN EL REHERVIDOR DE PLACAS 4.5 MEDICIONES DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL AGUA DE REFRIGERACION EN EL CONDENSADOR DE PLACAS IMPLEMENTADA 4.6 MEDICIONES DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DE LA MEZCLA VAPOR AGUA-ETANOL EN EL CONDENSADOR DE PLACAS IMPLEMENTADA 4.7 MEDICIONES DE LOS FLUJOS DE ALIMENTACIÓN, DESTILADO Y FONDO 4.8 DISEÑO DEL INTERCAMBIADOR DE PLACAS 4.9 EFICIENCIA GLOBAL DE LA COLUMNA MULTIPROPOSITOS CONCLUSIONES RECOMENDACIONES REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS PAGINAS WEB APENDICE 11

12 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1.1 Relacines entre q, línea- q, y flujs de la clumna Tabla 3.1 Preparación de la curva de calibración Tabla Nº 4.1 Data experimental de cmpsicines mlares en la crriente líquida en el tpe y fnd de la clumna Tabla Nº 4.2 Data experimental de las temperaturas de entrada y salida del vapr viv en el rehervidr de placas Tabla Nº 4.3 Data experimental de las temperaturas de entrada y salida de la mezcla líquida etanl-agua en el rehervidr de placas Tabla Nº 4.4 Data experimental de las temperaturas de entrada y salida del agua de refrigeración en el cndensadr de placas Tabla Nº 4.5 Data experimental de las temperaturas de entrada (vapr) y salida (líquida) de la mezcla etanl-agua en el cndensadr de placas Tabla Nº 4.6 Data experimental de las temperaturas de alimentación, destilad y fnd ls flujs de Tabla A.1 Prpiedades físicas del etanl a 1Atm Tabla A.2 Prpiedades fisicas del agua a 1 atm Tabla B.1 Cmparación de parámetrs de un Intercambiadr de placas vs de casc y tubs 12

13 ÍNDICE DE FIGURAS Figura Nº 1.1 Clumna de Destilación. Fuente: Luís Mncada Albitres Figura Nº 1.2 Pryeccines para determinar la temperatura de tpe en una mezcla binaria Figura Nº 1.3 pryeccines para determinar la temperatura de fnd en una mezcla binaria Figura Nº 1.4 diagrama de MC CABE THIELE. Fuente: m Figura Nº 1.5 Zna de Rectificación. Fuente: Artur Melgar Merin Figura Nº 1.6 Línea de peración en la zna de rectificación cn su pendiente y rdenada en el rigen. Fuente: Artur Melgar Merin Figura Nº 1.7 Zna de Agtamient de la clumna de destilación. Fuente: Artur Melgar Merin Figura Nº 1.8 Línea de peración en la zna de agtamient. Fuente: Artur Melgar Merin Figura Nº 1.8 Zna de alimentación. Fuente: Artur Melgar Fig 1.9 Líneas de alimentación en el diagrama de Mc Cabe-Thiele. Fuente: Luís Mncada Albitres Fig 1.10 Númer de etapas de equilibri teric.fuente: Luis Mncada Fig 1.11 Númer de etapas de equilibri teric.fuente:elabracin prpia Fig 1.12 R Rm. Fuente: Luis Mncada Figura Nº 1.13 Tips de intercambiadres de calr. Fuente: Fig Cmparación de csts para intercambiadres Fig Partes del intercambiadr de placas Fig Flujs en un intercambiadr de placas Fig Dispsición de las empaquetaduras Fig Mdels de fluj y arregls Figura Nº 3.1 Refractómetr CARL ZEISS- JENA. Fuente: O Figura Nº 3.2 Curva de calibración de las prprcines de etanl-agua a 20 C Figura Nº 4.1 Especificacines de las crrientes en la clumna Figura Nº 4.2 Determinación de la rdenada en el rigen a la cndición mínima para calcular la relación de refluj mínim de la clumna Figura Nº 4.3 Determinación del númer de etapas de equilibri teóric Figura Nº 4.3 Placas del Intercambiadr C.1 Diagrama de equilibri para la mezcla etanl- agua a 520 mmhg C.2 Diagrama del punt de ebullición para la mezcla etanl-agua a 520 mmhg 13

14 ÍNDICE DE APÉNDICE APÉNDICE A PROPIEDADES FISICAS DEL ETANOL Y EL AGUA APÉNDICE B Tabla B.1 Cmparación de parámetrs de un Intercambiadr de placas vs de casc y tubs APÉNDICE C C.1 Diagrama de equilibri para la mezcla etanl- agua a 520 mmhg C.2 Diagrama del punt de ebullición para la mezcla etanl-agua a 520 mmhg NOMENCLATURA SIMBOLO A ANTB AGUA ANTB ETANOL ANTC AGUA ANTC ETANOL APLACA AREHERVIDOR B bm ba br C Cp MEZCLA Cp AGUA DENOMINACION Area de transferencia de calr en el intercambiadr Cnstante de Antine B para el agua en unidades P: atm y T: F Cnstante de Antine B para el etanl en unidades P: atm y T: F Cnstante de Antine C para el agua en unidades P: atm y T: F Cnstante de Antine C para el etanl en unidades P: atm y T: F Area de la placa Area de transferencia de calr en el rehervidr Crriente mlar del prduct de fnd de la clumna Ordenada en el rigen a la relación de refluj mínim Ordenada en el rigen de la línea de peración de la zna de agtamient Ordenada en el rigen de la línea de peración de la zna de rectificación Cnstante de la velcidad de Capacidad calrífica de la mezcla Capacidad calrífica del agua UNIDADES m2 Adimensinal Adimensinal Adimensinal Adimensinal m2 m2 kml h Adimensinal Adimensinal Adimensinal Adimensinal Btu Lb.O F Btu Lb.O F 14

15 CpW Cp ETANOL Capacidad calrífica del agua de refrigeración CC Capacidad calrífica del etanl Capacidad calrífica del fluid caliente Cf Capacidad calrífica del fluid frí C mán Capacidad calrífica máxima Cp L Capacidad calrífica media del líquid CpV Capacidad calrífica media del vapr C mín Capacidad calrífica mínima C* Relación entre C mín y C mán Crriente mlar del destilad D F H LIQUIDO H VAPOR Fluj mlar de la crriente de alimentación Entalpía de la fase líquida L Entalpía de la fase vapr Crriente mlar del líquid en la zna de agtamient de la clumna L Crriente mlar del líquid en la zna de rectificación de la clumna LF Crriente mlar del líquid en alimentación mw Fluj de agua de refrigeración ms Fluj de vapr viv md mq ma mr MD M MEDIA. F N TOTALES.F Fluj másic del destilad Pendiente de la línea de alimentación Pendiente de la línea de peración de la zna de agtamient Pendiente de la línea de peración de la zna de rectificación Pes mlecular en crriente de destilad Pes mlecular media en alimentación NR Mles ttales en alimentación Númer de etapas de equilibri real NT Númer de etapas de equilibri teóric N PLACAS.REHERVIDOR Númer de placas en el intercambiadr Btu Lb.O F Btu Lb.O F Btu Lb.O F Btu Lb.O F Btu Lb.O F Btu Lb.O F Btu Lb.O F Btu Lb.O F Adimensinal kml h kml h Btu Lb Btu Lb kml h kml h kml h Lb h Lb h kg h Adimensinal Adimensinal Adimensinal kg kml kg kml kml unidades unidades unidades 15

16 NTU NTU REHERVIDOR PS QREHERVIDOR Q Númer de Unidades de Transferencia Númer de unidades de transferencia en el rehervidr Presión del vapr viv Fluj de calr en el rehervidr Fluj real de transferencia de calr QF Qmáx q R Rmín TO t1 TCent T f ent Fluj vlumétric en la alimentación Máxim fluj de calr que pdría transferirse Cciente entre el liquid en alimentación y el ttal de alimentación Relación de refluj extern Relación de refluj mínim Temperatura a C.N. Temperatura de entrada a la placa Temperatura de entrada del fluid caliente Temperatura de entrada del fluid frí T f1 Temperatura de ingres del agua de refrigeración Temperatura de ingres del fluid caliente Temperatura de ingres del fluid frí t2 Temperatura de salida de la placa TING TC1 unidades Adimensinal kg cm2 Btu h kcal s. K L h kcal s. K Adimensinal Adimensinal Adimensinal K C F F F F F C Tf 2 Temperatura de salida del agua de refrigeración Temperatura de salida del fluid caliente Temperatura de salida del fluid frí Tf Temperatura del fluid fri TPB Temperatura del punt de burbuja K K C K F R C Temperatura del vapr viv C Temperatura media de la clumna Temperatura media de la parte inferir de la clumna Temperatura media de la parte superir de la clumna Ceficiente glbal de transferencia de calr K K TSAL TC 2 T PB.TOPE TPR TPR. F TPR. R T PR.TOPE TS Tm Tm'' Tm' U Temperatura del punt de burbuja en tpe Temperatura del punt de rci Temperatura del punt de rci en grads Fahrenheit Temperatura del punt de rci en grads Rankine Temperatura del punt de rci en tpe F F F K kcal m 2.s 16

17 U REHERVIDOR VF V V Ceficiente glbal de transferencia de calr para el rehervidr Crriente mlar del vapr en alimentación Crriente mlar del vapr en la zna de agtamient de la clumna Crriente mlar del vapr en la zna de rectificación de la clumna VV Velcidad másica del vapr x m'' Cmpsición media del líquid en la parte inferir de la clumna Cmpsición media del líquid en la parte superir de la clumna Cmpsición mlar de la crriente de destilad Cmpsición mlar de la crriente residual de la clumna Cmpsición mlar del vapr en cualquier instante Cmpsición media del vapr en la parte inferir de la clumna Cmpsición media del vapr en la parte superir de la clumna xm' xd xb y y m'' y m' kcal m 2.s kml h kml h kml h kg h Adimensinal Adimensinal Adimensinal Adimensinal Adimensinal Adimensinal Adimensinal 17

18 CAPÍTULO I REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 1.1 DESCRIPCIÓN DE LA COLUMNA MULTIPROPÓSITOS En el Labratri de peracines y prcess unitaris se cuenta cn el cuerp de la clumna de destilación de múltiple etapas de equilibri, previamente diseñada y cnstruida, de características y dimensines siguientes: Características Técnicas Equip principal: clumna de 20 plats perfrads, cnstituid pr 6 cuerps: Cuerp I: Plats 1, 2, 3 Cuerp II: Plats 4, 5, 6, 7 Cuerp III: Plats 8, 9, 10, 11 Cuerp IV: Plats 12, 13, 14, 15 Cuerp V: plats 16, 17, 18, 19 Cuerp VI: Plats 20 Material:Td ( el equip a excepción de la bmba) Esta cnstruid en acer inxidable. Dimensines de la clumna: Diámetr: 5 pulg. Altura: 5m (medid desde la base hasta el cndensadr) Altura de la clumn a: 3,6m Alimentación cm líquid: plat 10 ò 14 Alimentación cm vapr : plats 2, 11 ` 16 Equipauxiliar: Tanque de alimentación Capacidad: 100 l Cndensadr 18

19 Nº Tubs: 09 Lngitud de ls tubs: 50cm Diámetr del intercambiadr: 4 pulg Diámetr de ls tubs: 1 pulg 2 Área de transferencia: 0.36 m Bmba Marca: pedrll Ptencia: 0.5 Hp Material: Acer al carbn Sprte del equip Altura: 6 m Material: acer al carbn Se incluyen 03 alimentacines cm vapr ( gas) de tal manera quemna la clu también se puede utilizar parcialmente (unacierta cantidad de plats, n la ttalidad) OPERACIONES UNITARIAS A REALIZAR El equip puede trabajar cm absrbedr, destiladr (peración cntinua). Sistema de medición Se puede medir ls siguientes s: fluj Caudal vlumétric de alimentación Caudal vlumétric del refluj. Caudal del vapr Además se cuenta cn ls siguientes punts de medición de temperatura: Temperatura del tanque de alimentación Temperatura de las ds alimentación Temperatura de tres las entradas de vapr Temperatura del refluj Temperatura de 6 plats de la clumna Temperatura del vapr de salida del tpe de la clumna Temperatura del prduct de fnds que sale de la clumna Temperatura de las 4 crrientes del cndensadr Nº de u pnts de medición de temperatura:19 19

20 1.2 DESTILACION La destilación se define cm la peración básica mediante la cual se separa una mezcla de líquids, de distinta vlatilidad, en sus cmpnentes purs; est se cnsigue mediante la realización sucesiva de una serie de etapas de vaprización y cndensación; en cada una de estas etapas se incrementar la prprción del cmpnente más vlátil en la fase vapr. Ls principales tips de destilación sn: Destilación cntinúa (pr fraccinamient). Destilación extractiva. Destilación azetrópica. Destilación pr ltes ( batch ). Destilación de equilibri ( flash ). Destilación dinámica. 1.3 PROCESO DE DESTILACIÓN CONTINUA Ls prcess de separación alcanzan sus bjetivs mediante la creación de ds más znas que cexisten y tienen diferencias de temperatura, presión, cmpsición fase. Cada especie mlecular de la mezcla que se va a separar reaccinará de un md únic ante ls ambientes presentes en esas znas. En cnsecuencia cnfrme el sistema se desplaza hacia el equilibri, cada especie establecerá una cncentración diferente en cada zna dand cm resultad una separación entre las especies. Las características y flujs de un prces cnvencinal de destilación se ilustran en la Fig En una clumna de destilación, las fases de vapr y líquid fluyen en cntracrriente dentr de una zna de transferencia de masa. La clumna es equipada cn plats empaques para maximizar el cntact entre las ds fases. Para mejrar la peración, alg de la crriente del tpe es retrnada cm un refluj líquid (L0). La razón de refluj (R) es definida cm la razón de L0 a prduct del tpe (D). [1] 20

21 Figura Nº 1.1 Clumna de Destilación. Fuente: Luís Mncada Albitres R L0 D (1.1) Dnde: R : Razón ( relación) de refluj extern, adimensinal L0 : Cantidad de líquid retrnad cm refluj a la clumna, D : Cantidad de prduct del tpe, ml tiemp ml tiemp La ventaja de la destilación es su simplicidad, baj capital de inversión, y baj riesg ptencial. En efect, la destilación es el prces de elección para separar cmpnentes térmicamente estables a sus punts de ebullición y que tengan una vlatilidad relativa de 1,5 más. [1] En el lad negativ la destilación tiene una baja eficiencia termdinámica. La destilación puede ser n atractiva cuand se presentan azeótrps, cuand se deba separar bajas cncentracines de cmpnentes cn alt punt de ebullición que estén presentes en grandes vlúmenes de agua. [1] En muchas aplicacines la destilación es más ventajsa que ls demás prcess de separación debid a su diagrama de fluj simple y csts de capital bajs. [1] Temperatura de tpe La temperatura de tpe de la clumna es equivalente a la temperatura del punt de rció de una mezcla liquida en el tpe. Que se define cm la cmbinación de la temperatura y presión a las cuales se frma la primera gta de líquid. La cantidad de líquid que se frma es tan pequeña que se puede supner que n tiene ningún 21

22 efect sbre la cmpsición del vapr. La temperatura de tpe se calcula para mezclas binarias y multicmpnentes Temperatura de tpe en mezclas binarias: Métd grafic En mezclas binarias, la temperatura de tpe se halla a partir del diagrama temperatura-cmpsición, para ell, se ubica la cmpsición del cmpnente liger del tpe de la clumna, en el eje de la abscisa y se pryecta verticalmente hasta intersectar la curva del punt de rció, lueg esta se pivtea hrizntalmente hasta el eje de temperatura y se lee en ella la temperatura de tpe de la clumna. El prcedimient se muestra en la figura 1.2. Figura Nº 1.2 Pryeccines para determinar la temperatura de tpe en una mezcla binaria Temperaturas de tpe en mezclas binarias: métd de Ddge El criteri prpuest pr Ddge establece que la temperatura de tpe de la clumna se halla mediante un prces iterativ teniend en cuenta la definición básica del ceficiente de distribución de equilibri. yi xi Ki De dnde se despeja: xi (1.1) yi Ki (1.2) Hasta encntrar la cndición pr definición en cualquier sistema estable, que la suma de las fraccines mlares de ls cmpnentes debe ser la unidad. Pr l tant: xi yi Ki 1 (1.3) Esta definición cnstituye el criteri básic para establecer la temperatura y presión de l tpe de la clumna. Ddge sugiere el siguiente prcedimient para el cálcul: 22

23 a) Se elige el cmpnente clave liger (CCL), que en este cas es el cmpnente liger de la mezcla. b) Se fija la presión de l sistema P. c) Se supne un primer valr par la temperatura cm T1 d) A la presión fijada y temperatura supuesta, se determina ls ceficientes de distribución en equilibri para cmpnente, mediante la definición: K1 Pi SAT P (1.4) Dnde la presión de saturación a la temperatura supuesta T1 se halla mediante la ecuación de Antine: LnPi SAT ANTB i T1 ANTC i ANTAi e) Se efectúa el calcul de xi f) xi yi para cada cmpnente. Ki xi Se suma ls xi: g) Si (1.5) yi Ki 1,entnces se calcula un xi crregid para el cmpnente clave liger mediante: xccl xccl ( calculad) (1.6) xi h) Se calcula el ceficiente de distribución en equilibri crregid para el cmpnente clave liger mediante: K CCL i) y CCL xccl (1.7) Cn el valr del ceficiente de distribución de equilibri crregid par el cmpnente clave liger, K CCL y la presión P fijada, se calcula la nueva presión de saturación crregid del cmpnente clave liger SAT PCCL, en la definición: SAT PCCL j) K CCL Enseguida cn el valr P (1.8) SAT PCCL, se calcula la nueva temperatura T2CCL en la ecuación de Antine despejada: T2 CCL ANTC CCL SAT ANTACCL LnPCCL ANTC CCL (1.9) k) Lueg se repiten ls pass desde d) a j), hasta lgrar el rang cnfiable: 23

24 0.995 yi Ki (1.10) Temperatura de fnd La temperatura de fnd de la clumna es equivalente a la temperatura de punt de burbuja de una mezcla liquida en el fnd, que se define cm la cmbinación de la temperatura y presión a las cuales se frma la primera burbuja de vapr. Igualmente se supne que la cantidad de vapr que se frma es tan pequeña que n tiene ningún efect sbre la cmpsición del líquid. La temperatura de fnd se calcula para mezclas binarias y multicmpnentes Temperatura de fnd en mezclas binarias: Métd grafic En mezclas binarias, la temperatura de fnd se halla a partir del diagrama temperatura-cmpsición, para ell, cm se bserva en la Figura 1.3, se ubica la cmpsición del cmpnente liger del fnd de la clumna, en el eje de la abscisa y se pryecta verticalmente hasta intersectar la curva del punt de burbuja, lueg esta se pivtea hrizntalmente hasta el eje de temperatura y se lee en ella la temperatura de fnd de la clumna. Figura Nº 1.3 pryeccines para determinar la temperatura de fnd en una mezcla binaria Temperaturas de fnd de mezclas binarias: Métd de Ddge El criteri de Ddge establece que la temperatura del fnd de la clumna se halla mediante un prces iterativ teniend en cuenta la definición básica del ceficiente de distribución en equilibri expuest en la ecuación (1.1), de dnde se despeja. yi K i xi (1.11) Hasta encntrar la cndición pr definición en cualquier sistema estable, que la suma de las fraccines mlares de ls cmpnentes debe ser la unidad. Pr l tant: 24

25 yi K i xi 1 (1.12) Criteri básic para establecer la temperatura y presión del fnd de la clumna Ddge sugiere el siguiente prcedimient par el cálcul: a) Se elegí el cmpnente clave liger (CCL), que en este cas es el cmpnente liger de la mezcla. b) Se fija la presión del sistema P c) Se supne un primer valr para la temperatura cm T1 d) A la presión fijada y temperatura supuesta T1 se determina ls ceficientes de distribución en equilibri para cada cmpnente, mediante la definición: Pi SAT P Ki Dnde la presión de saturación a la temperatura supuesta T1 se halla mediante la ecuación de Antine: LnPi SAT ANTAi ANTB i T1 ANTC i yi e) Se efectúa el cálcul de f) Se suma ls yi: g) Si yi K i xi para cada cmpnente yi K i xi 1, entnces se calcula un yi crregid para el cmpnente clave liger mediante: yccl yccl ( calculad) (1.13) yi h) Se calcula el ceficiente de distribución en equilibri crregid para el cmpnente clave liger mediante: K CCL yccl xccl (1.14) i) Cn el valr del ceficiente de distribución en equilibri crregid para el cmpnente clave liger, K CCL y la presión P fijada, se calcula nueva presión de saturación del cmpnente calve liger SAT PCCL, en la definición: SAT PCCL K CCL j) Enseguida cn el valr P SAT PCCL, se calcula la nueva temperatura T2CCL en la ecuación de Antine despejada: T2CCL ANTC CCL SAT ANTACCL LnPCCL ANTC CCL 25

26 k) Lueg se repiten ls pass desde d) a j), hasta lgrar el rang cnfiable: yi (1.15) Vlatilidad relativa La vlatilidad relativa expresa la facilidad cn la que se puede separar ls cmpnentes de una mezcla. Una frma de interpretar la vlatilidad relativa a partir del diagrama temperatura- cmpsición, es bservar la separación entre las curvas del punt de burbuja y de rció; resulta fácil separar la mezcla cuand la separación entre la curvas es mayr, l cntrari es la viceversa. En el mism sentid se deduce del diagrama de equilibri, cuan mas separad se encuentre la curva de equilibri de la línea de 45º, resulta fácil la separación de las cmpnentes de la mezcla, es difícil si resulta l cntrari. Otra frma de definir la vlatilidad relativa es cm un factr numéric cuya magnitud indica la facilidad dificultad de la separación de ls cmpnentes de la mezcla. Analíticamente se define mediante: ij Ki Kj yi xi yi xj Pi SAT PjSAT Pi Pj (1.16) Para un sistema binari de cmpnente A y B que sigue la ley de Rault, se particulariza: AB KA KB ya xa yb xb PASAT PBSAT PA PB (1.17) La interpretación esta dada pr ls valres que asume la vlatilidad relativa para el prces de separación, la misma que puede ser: Para valres de vlatilidad relativa much mayres a 1, la separación es fácil, Para valres de vlatilidad relativa muy cercans a 1 ( AB 1), cm pr ejempl 1,1; 1,2; la separación es psible per resulta difícil. Para valres de vlatilidades relativas iguales a la unidad ( AB 1) l la relación de A y B seria la misma en ambas fases. Obviamente la separación n seria psible ya que la fuerza impulsra para la trasferencia de masa es nula. Para ls cass dnde la vlatilidad relativa es raznablemente cnstante, se puede usar una variedad de métds para estimar el númer de etapas de equilibri teóric requerid para la separación. Para calcular la vlatilidad relativa se puede realizar de muchas maneras, per las mas imprtante sn: 26

27 Métd prmedi aritmétic Este métd cnsiste en calcular la vlatilidad relativa en cualquiera de las definicines expuestas para cada temperatura del rang y lueg calcular su prmedi aritmétic Métd del prmedi gemétric de Gallagher Este métd ha sid desarrllad pr James Gallagher y cnsiste en la determinación del prmedi gemétric cnsiderand las vlatilidades relativas en el fnd y el tpe de la clumna, mediante la siguiente definición: PROM 1.5 ( FONDO TOPE )1 / 2 (1.18) DISEÑO DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN PARA MEZCLA BINARIAS El métd de McCabe-Thiele. Ls métds gráfics se utilizan ampliamente para visualizar las relacines existentes entre un cnjunt de variables, y pr tant, de us general en ingeniería química. Ests métds sn útiles en el diseñ de sistemas de cntact pr etapas, ya que al calcularse se resuelven simultáneamente relacines de equilibri y balances de materia y entalpia. Las ecuacines de ls balances de materia y energía pueden representarse cnjuntamente en ls misms gráfics. Mediante una adecuada elección de las crdenadas y de las cnstruccines gemétricas se pueden reslver gráficamente ls prblemas de diseñ. Pr tra parte, cualquier prblema resluble pr técnicas gráficas, puede reslverse también analíticamente. Para aplicar este métd es necesari cncer: La fase de la alimentación (el prcentaje de vaprización) La naturaleza del cndensadr, si es parcial ttal Relación del refluj a refluj mínim La cmpsición del destilad y del fnd Se cnsidera que la presión es cnstante a l larg de la clumna Gracias a este métd se pueden determinar Númer de etapas teóricas NT Númer mínim de etapas necesarias: Refluj mínim: N min Rmin Plat de alimentación óptim El prcedimient gráfic para hallar el númer de etapas de equilibri teóric y el plat óptim de alimentación se muestra en la Figura Nº 1.7 siguiente: 27

28 Figura Nº 1.4 diagrama de MC CABE THIELE. Fuente: Cnstrucción del diagrama de equilibri Calcul de las cmpsicines mlares Se calcula empleand las definicines mlares de fraccines Calcul de la línea de peración en la zna de rectificación Figura Nº 1.5 Zna de Rectificación. Fuente: Artur Melgar Merin Para trazar la línea de peración de la sección de rectificación se realiza un balance de materia parcial en la parte superir de la clumna, cnsiderand las líneas de crriente y cmpsicines que se expnen en la Figura Nº 1.5 Vn 1. y n 1 Ln.xn D. x D (1.19) Despejand 28

29 yn Ln xn Vn 1 1 D xd Vn 1 (1.20) Ecuación de la línea de peración de la zna de rectificación Las supsicines de Mc Cabe-Thiele para generalizar la línea de peración de la zna de rectificación, sn: 13 Ls calres de la mezcla sn despreciables Ls calres latentes de cada cmpnente sn iguales se diferencian en una cantidad despreciable. Pr cada ml de vapr que se cndensa se vapriza una ml de líquid. Estas supsicines cnducen a la definición de derrame mlar cnstante que se interpreta cm: Crriente liquida: L0 V0 Crriente vapr: L1 L2 V1 V2 L3 V3... Ln... Vn L V Pr l tant en (1.20): y L x V D xd V (1.21) Siend en la ecuación (1.21): mr br L V D xd V L D V D L L D D D xd V D L xd D D R R 1 xd R 1 (1.22) (1.23) Las ecuacines 1.22 y 1.23se representan en la Figura Nº 1.6 Figura Nº 1.6 Línea de peración en la zna de rectificación cn su pendiente y rdenada en el rigen. Fuente: Artur Melgar Merin 29

30 Si se sustituye las ecuacines (1.22 y 1.23) en la ecuación (1.21) se tiene la ecuación de la línea de peración de la zna de rectificación en función de la relación de refluj extern. y R x R 1 1 xd R 1 (1.24) Línea de peración en la zna de agtamient. Para calcular la línea de peración de la sección de agtamient se prcede de igual manera, de md que a partir de las crrientes y cmpsicines mstradas en el esquema de la Figura Nº se btiene: ym Lm Vm 1 1 xm B xb V 1 (1.25) Pr derrame mlar cnstante: Crriente liquida: Lm Crriente vapr: Vm Lm Vm LN... V N 1 1 LN VN L V Figura Nº 1.6 Zna de Agtamient de la clumna de destilación. Fuente: Artur Melgar Merin Que al reemplazar en la ecuación (1.25), resulta: y L B x xb V V (1.26) 30

31 La ecuación (1.26) expresa la línea de peración de la zna de agtamient. Siend: L V ma ba (1.27) B xb V (1.28) La línea de peración de la sección de agtamient, su pendiente y su rdenada en el rigen se representan en la Figura Nº 1.11, siguiente: Figura Nº 1.7 Línea de peración en la zna de agtamient. Fuente: Artur Melgar Merin Línea de alimentación línea q L V FLIQUIDO Plat.de.a lim entación L V Figura Nº 1.8 Zna de alimentación. Fuente: Artur Melgar 31

32 En la Figura Nº 1.9 en el cambi de zna V y V sn diferentes, sin embarg, en la misma zna sn iguales Pr balance de materia teniend en cuenta las crrientes liquid y vapr alrededr del palt de alimentación, se tiene: En la alimentación : F En la crriente liquida :L En la crriente vapr :V VF LF VF (1.29) LF L (1.30) V (1.31) Si aplicams la definición q que equivale al númer de mles ttales de líquid saturad que ingresa en la alimentación dividid entre el númer de mles ttales en la alimentación se tiene: LF F q LF LF (1.32) VF De md que, de las ecuacines (1.29, 1.30 y 1.31) se btiene: L LF LF F F qf L L L L (1.33) L Pr tr lad, en la crriente de vapr: V VF V V V F V V F (1 q ) LF F F (1.34) Al restarla ecuación (1.26) de (1.21), se tiene: yv V xl L xd D xb B En el que al reemplazar las ecuacines (1.33), (1.34) y el balance de materia parcial alrededr de la clumna F.z F y qfx 1 qf Fz F 1 qf D. x D B.x B se btiene: (1.35) Ecuación cncida cm la ecuación de la línea de alimentación. Siend: mq q q 1 (1.36) La cndición de alimentación se expresa en función del valr de q : q 0 La alimentación ingresa cm vapr saturad y se representa cm línea hrizntal. 32

33 q 0 1 La alimentación ingresa cm una mezcla de líquid-vapr saturad y se representa pr una línea recta cn inclinación cmprendid entre 90º y 180º. q 1 La alimentación ingresa cm líquid sub enfriad (alimentación cm líquid fri) y se representa mediante una línea recta que pasa entre 45º y 90º. q 0 La alimentación ingresa cm vapr sbrecalentad y se representa mediante una línea recta cn inclinación entre 180º y 225º. q 1 Se trata de un líquid saturad (alimentación a temperatura ebullición). Un resumen de las líneas de alimentación trazadas en función de, se muestra en la Figura Nº 1.13 Fig 1.9 Líneas de alimentación en el diagrama de Mc Cabe-Thiele. Fuente: Luís Mncada Albitres Tabla 1.1 Relacines entre q, línea- q, y flujs de la clumna 33

34 Fuente: Luís Mncada Albitres DETERMINACION DE NUMEROS DE ETAPAS DE EQULIBRIO TEORICO: NT Cnstruir el diagrama de equilibri Ubicar xb, zf, xd Calcular y ubicar las cmpsicines mlares de las crrientes sbre la línea de 45º. Fig 1.10 Númer de etapas de equilibri teric.fuente: Luis Mncada Trazar la línea de peración de las znas de rectificación que pasa pr (xd,yd) cn la inclinación definida pr la relación de refluj adecuada. Trazar la línea de alimentación que pasa pr (zf,zf) cn la inclinación de acuerd a la cndición de alimentación hasta intersectar la línea de peración de la zna de rectificación. Trazar la línea de peración de la zna de agtamient entre el punt (xb,xb)y la intersección de la línea de alimentación y línea de peración de zna de rectificación. 34

35 Escalnar mediante trazs hrizntales y verticales entre la curva de equilibri y línea de peración desde (xd,xd) hasta alcanzas el punt (xb,xb)hasta alcanzar (xa,xb)y lueg enumerar ls escalnes. D X D F X F B X B Fig 1.11 Númer de etapas de equilibri teric.fuente:elabracin prpia Determinación de la relación de refluj mínim Rm La relación de refluj mínim es Rm es la relación máxima que requerirá de un numer infinit de plats para lgrar la separación deseada; crrespnde al mínim calr del rehervidr y a la mínima capacidad de enfriamient del cndensadr cnrespect a la separación. Usand las Ecs. (1.37) y (1.38), la Ec. (1.39) para la línea de balance de cmpnente de la sección de rectificación se puede expresar en términs de la relación de refluj. V L D (1.37) R L D (1.38) yn 1 L xn V D xd V (1.39) (1.40) Cuand la razón de refluj disminuye, también disminuye la pendiente de la línea de balance de cmpnente. La separación es teóricamente psible si las líneas de balance de cmpnente se intersectan inmediatamente debaj de la curva de equilibri. La relación de refluj crrespndiente es denminada refluj 35

36 mínim. La separación a refluj mínim requiere un númer infinit de etapas. En la Fig.1.12, la razón mínima de refluj es 2,0. La cnstrucción de McCabe Thiele para esta relación se muestra en la Fig 1.12 Fig R Rm. Fuente: Luis Mncada REHERVIDOR Ls rehervidres sn usads cn clumnas de destilación para vaprizar una fracción de ls prducts del fnd, mientras que en un vaprizadr eventualmente tda la alimentación es vaprizada. Cnectad a la base de una trre fraccinadra prprcina el calr de reebullición que se necesita para la destilación. 6 Ls principales tips de rehervidres sn: Circulación frzada. Termsifón cn circulación natural. Tip calderín de caldera Rehervidr Ttal. Cm su nmbre l indica, en este cas, td el líquid que entra al biler se evapra. En primer lugar se separa la fracción que se desea recircular en frma de vapr y el rest sale cm prduct del fnd residu. En el biler ttal el líquid cambia ttalmente de fase, el prces curre a cmpsición cnstante (similar al cndensadr ttal) Rehervidr Parcial Cm su nmbre l indica, en este cas, parte del líquid que entra al biler se evapra. El líquid n evaprad sale cm prduct del fnd, mientras que el vapr prducid se recircula. En el rebiler parcial hay un cntact 36

37 entre las fases líquid y vapr, el prces curre a temperatura cnstante, y hay un equilibri líquid-vapr en el equip INTERCAMBIADORES DE CALOR La palabra intercambiadr se aplica realmente a td tip de equips en el que el calr se intercambia, per es más específicamente emplead para designar equips en que el calr es intercambiad entre ds crrientes de prces. Intercambiadres de calr de calr en ls que una crriente de prces es calentada enfriada mediante una crriente de suministr (agua vapr) suelen llamarse simplemente enfriadres calentadres. Si la crriente de prces se vapriza cm prduct de la entrega de calr el equip recibe el nmbre de vaprizadr; se le llama rehervidr si esta relacinad cn una trre de destilación y evapradr si se utiliza para la cncentración de slucines Tips de intercambiadres de calr Ls tips de intercambiadres frecuentemente hallads en la industria sn ls de tubería dble, enfriads pr aire, de tip placa y, de casc y tub, ls que se bservan en la Figura Nº Figura Nº 1.13 Tips de intercambiadres de calr. Fuente: INTERCAMBIADORES DE PLACA Ciertas cndicines l hacen mas atractiv que las unidades tubulares para las mismas aplicacines. Entre las ventajas que frecen ls intercambiadres de placas están: Mayr área de transferencia pr unidad de vlumen (cupan mens espaci) Altas flexibilidades en el diseñ de las áreas de transferencia y arregls 37

38 de flujs Puede perar cn mas de ds fluids Alta turbulencia, prduciéndse un ceficiente de película elevad y baja incrustación; l cual lleva cnsig una disminución en el área necesaria para la transferencia de calr Bajas caídas de presión Facilidad para extender rearreglar la unidad para increments mdificacines de las cargas de calr Facilidad de mantenimient Aprximación de temperaturas. El capital y mantenimient, ls pes csts de peración, requerimients y limitacines de espaci; aprximación de temperaturas y niveles de temperatura y presión juegan para la selección de entre un intercambiadr de rles placas crítics y un intercambiadr tubular. A). COSTO INICIAL Y COSTOS DE OPERACIÓN Un intercambiadr de placas es atractiv cuand se requiere un material de cnstrucción csts (cuand es aceptable el acer crriente cm material de cnstrucción un intercambiadr de casc y tubs es frecuentemente mas ecnómic). Una unidad de placas puede también ser recmendable cuand el calr debe ser transferid entre 3 ó mas fluids, así mism n necesita ser aislad y (para las mismas cargas de calr) puede ser instalad sbre una base mens cstsa que para un intercambiadr de casc y tubs. La Fig cmpara ls csts iniciales para intercambiadres de placas y tubulares. Pr tr lad, un requerimient menr de energía para bmbear ls fluids en ls intercambiadres de placas hace que ls csts de peración sean menres cmparads cn las unidades tubulares. 38

39 1 Tubular ttalmente de acer inxidable 2 Tubular, tubs de acer inxidable y casc de acer crriente 3 Tubular, ttalmente de acer crriente 4 De placas, ttalmente de acer inxidable Fig Cmparación de csts para intercambiadres B) CARACTERÍSTICAS Un intercambiadr de placas cnsiste de una armazón y de placas crrugadas ranuradas de metal. La armazón incluye una placa fija, una placa de presión y partes de cnexión y presión. Las placas sn presinadas unas a tras sbre una armazón Fig Las placas extremas n transfieren calr. 1 Armazón fija 2 Cnexines de entrada y salida 3 Placas extrema inicial 4 Pern de ajuste Empaquetaduras Placa térmicas Cnexines entre placas Placa extrema de presión Fig Partes del intercambiadr de placas C) DISPOSICIÓN DE LAS PLACAS 39

40 Fig Flujs en un intercambiadr de placas Series de placas sn presinadas unas a tras, de tal manera que las crrugacines frman estrechs canales para el fluj de ls fluids, l cual siempre prduce turbulencia aún a velcidades muy bajas. Las crrugacines también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndlas capaces de resistir defrmacines debid a las altas presines. Un adecuad númer de sprtes también ayuda a minimizar ls riesgs de defrmacines debid a las presines. Fig Dispsición de las empaquetaduras Usand las empaquetaduras según cnvenga, se puede arreglar el fluj en cntracrriente y ls flujs individuales pueden ser dividids en crrientes paralelas, así mism las empaquetaduras sellan a las placas en sus brdes en td su alrededr, haciend el diseñ respectiv para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tpe en el fnd. Las empaquetaduras también prveen un dble sell entre las crrientes de ls fluids haciend impsible la mezcla, también se pueden hacer una gran cmbinación de canales, de tal manera que el cnjunt de placas se puede ajustar para diferentes servicis. 40

41 D) USO DE LOS INTERCAMBIADORES DE PLACAS Ls fluids viscss que pudieran intercambiadres tubulares, estarán fluir laminarmente prbablemente en en fluj turbulent en un intercambiadr de placas. Cuand un liquid cntiene sólids suspendids, la diferencia entre el anch de ls canales y el diámetr de las partículas n deberá ser menr de 0,5 mm. Cuand se especifica una cnstrucción del lad de ls tubs de acer inxidable para servicis múltiples, el intercambiadr de placas cmpite cn el tubular. Si se requiere una cnstrucción en su ttalidad de acer inxidable, el tip de placas es mens csts que las unidades tubulares. 2 Ls intercambiadres cn área de transferencia mayr de 1500 m n sn usualmente aprvechables. La presión de peración máxima también limita el us de ls intercambiadres de placas. Aunque es psible diseñar y cnstruir 2 unidades capaces de perar sbre ls 25 kg/cm, la presión nrmal de peración materiales dispnibles empaquetaduras, es de para limitan la alrededr la 10 2 kg/cm. cnstrucción temperatura de Ls las de peración para un intercambiadr de placas a alrededr de 300 ºC. E) MODELOS DE FLUJO Y ARREGLOS Ls principales mdels de fluj en intercambiadres de placas mstrads en la Fig 1.22 sn: a) Fluj en serie.- una crriente cntinua cambia de dirección después de cada recrrid vertical. b) Fluj en paralel.- la crriente principal se divide en subcrrientes para cnverger psterirmente en una sla El númer de canales paralels está dad pr el rendimient del intercambiadr y la caída de presión permisible. El mayr númer de 41

42 canales disminuye la caída de presión. El númer de canales en serie es determinad pr la eficiencia y ls requerimients de intercambi de calr. Si un liquid es enfriad en fluj viscs, el númer velcidad de canales puede y pr l ser reducid cnsiguiente para aumentar incrementar la el ceficiente de transferencia de calr. E) Fig Mdels de fluj y arregls CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO La cmplejidad de ls diseñs de las placas y las cnfiguracines de fluj, limitan la aplicación de infrmación dispnible (la cual es escasa) para ls intercambiadres de placas. Ls fabricantes tienen sus prpis prcedimients de diseñ para sus intercambiadres, l cual incluye prgramas de cmputación ya elabrads. Un métd de diseñ alternativ se prpne en esta bra, para l cual se han hech las asuncines siguientes: Las pérdidas de calr sn despreciables N hay espacis cn aire en ls intercambiadres El ceficiente ttal de transferencia es cnstante a través de td el intercambiadr La temperatura de ls canales varía slamente en la dirección del fluj Las crrientes se dividen en partes iguales entre ls canales en el cas de un fluj en paralel. 42

43 Si N es el númer de placas térmicas, (N + 1) es el númer de canales paralels. Slamente las placas térmicas transfieren calr; las ds placas finales n l hacen, razón pr la cual estas unidades requieren mens casi nada de aislamient cmparad a las unidades tubulares. F) PROCEDIMIENTO DE DISEÑO El prcedimient de diseñ puede ilustrarse cn un prblema típic, dad pr un fluid caliente que debe enfriarse desde una temperatura T1 hasta una temperatura T2; para l cual se dispne de un fluid frí a t1. Ls pass a seguir sn ls siguientes: 1. Calcular la carga de calr: Q Q = m Cp (T1 T2) 2. Calcular la temperatura de salida del fluid frí: t2 t2 = t1 Q/(m Cp) 3. Determinar las prpiedades físicas de ls fluids a su respectiva temperatura media. 4. Determinar el tip de intercambiadr. 5. Fijar las resistencias a la incrustación. 6. Calcular la temperatura media lgarítmica. 7. Calcular el númer de unidades de transferencia para cada fluid: HTU 8. Supner un valr de U Calcular un área prvisinal requerida: A 43