EN INGENIERÍA QUÍMICA DISEÑO DE UN CAMBIADOR DE CALOR MEDIANTE ASPEN PLUS A. Moral,, M.D. Hernández y M.J. de la Torre Departamento de Biología Molecular e Ingeniería Bioquímica. Área de Ingeniería Química. Universidad Pablo de Olavide. Sevilla. Departamento de Ingeniería Química. Universidad Complutense de Madrid. 1
En este trabajo se detalla una aplicación informática a la docencia en la asignatura Operaciones Básicas, perteneciente al Grado en Biotecnología. Se incluye dentro del Módulo Bioingeniería y Procesos Biotecnológicos. Procesos Biotecnológicos, es de tipo C2 y le corresponden 4.5 ECTS de la Materia Operaciones Básicas. Se imparte en el primer semestre del tercer curso. La descripción de los contenidos es Operaciones controladas por el transporte de la cantidad de movimiento. Operaciones controladas por la transmisión de calor dentro de los cuales se estudian los cambiadores de calor 2
La práctica tiene un doble objetivo, por un lado se simula un cambiador de carcasa y tubos y después se diseña un cambiador para que se cumplan unas especificaciones fijadas. Para ello se utiliza el programa ASPEN PLUS con el que se puede aplicar el método simplificado o el riguroso 3
La ecuación general de transmisión de calor es: Q UA T m donde Q es el calor transferido, U el coeficiente global de transporte, A el área de transferencia de calor, y ΔT m la diferencia media de temperaturas (media logarítmica para flujo en contracorriente puro). El coeficiente global nos da idea de la resistencia a la transmisión de calor (resistencias de la pared, fluido frío y caliente), mediante la expresión: 1 1 UD h D k p e D ml 1 h D 4
Si se forma una capa de precipitación de sales sobre los tubos, habría que añadir nuevas resistencias determinadas por los coeficientes de ensuciamiento. Si existe una desviación del flujo en contracorriente, se aplica un factor de corrección, F T. Estos cambiadores poseen tabiques deflectores cuya función es dirigir el fluido para que aumente el coeficiente de transporte. 5
La simulación que se lleva a cabo en esta práctica es la de un cambiador 1-2. Para dicha simulación se emplea el bloque HEATX que permite estimar la transmisión de calor y caída de presión para corrientes de una o dos fases mediante dos métodos: el simplificado, que se lleva a cabo con el mínimo número de datos, y no requiere especificar la geometría (por tanto el coeficiente global, el factor de corrección y las caídas de presión serán constantes) y el riguroso, en el que sí es necesario especificar la geometría para estimar el coeficiente global, el factor de corrección y las caídas de presión. 6
Para el cálculo del coeficiente global a partir de coeficientes individuales, se considera despreciable el espesor de la pared del tubo y con él, su resistencia a la transmisión de calor y los coeficientes individuales se estiman a partir de una serie de correlaciones. Tenemos que resolver dos problemas con Aspen, uno de la simulación de un cambiador y el otro, del diseño de un cambiador. 7
Problema de simulación: Conocemos la geometría del cambiador y queremos obtener las temperaturas de salida de los dos fluidos. El problema consta de tres apartados: el primero es una simulación mediante el método simplificado, el segundo, mediante el método riguroso con el coeficiente global constante y el tercero, con el método riguroso y el coeficiente global, función de la geometría. 8
Dibujar el diagrama de flujo: Se emplea el bloque HEATX para dibujar el cambiador, y las cuatro corrientes (dos de entrada y dos de salida) se dibujan con MATERIAL STREAMS. Se denota con C y F a los fluidos caliente y frío respectivamente y con 1 y 2 a las corrientes de entrada y salida. 9
Shell: Carcasa: Se especifica el tipo de carcasa (E: un paso por carcasa), el número de pasos por tubo (dato del problema), orientación horizontal del cambiador, diámetro interno y distancia entre el haz de tubos y la carcasa (dc). Tubes. Tubos: Se emplean tubos lisos y se especifica el número de tubos (Nt), su longitud, disposición (triangular), pitch(distancia entre el centro de un tubo a otro) que se obtiene de un figura y el diámetro interno o el externo y el espesor. Baffles: Tabiques deflectores: Tipo y número. Además, la distancia entre tabiques (I B ), la distancia entre el primer tabique y la placa ( I BI ) y el Baffle Cut (entre 0,2 y 0,25) Nozzles: Boquillas: Diámetros de las boquillas de entrada y salida de la carcasa y los tubos. 10
Desde el punto de vista didáctico, se pretende establecer un nexo metodológico entre los problemas más comunes en el análisis de cambiadores de calor (cálculo del cambio de calor y diseño del tamaño para un proceso particular a optimizar) y el programa informático. El primero supone calcular el calor transferido, el cambio de temperaturas en ambos fluidos y la caída de presión a lo largo del cambiador. El segundo sirve para poder elegir un cambiador de entre los que pueden estar disponibles en el mercado, o para determinar las dimensiones de uno nuevo. 11
Una corriente de 3.5 kg/s de acetona pura a 108ºC y 2 atm se condensa en un cambiador horizontal de carcasa y tubos 1-2, utilizando como fluido refrigerante, agua a 32ºC y 1.6 atm, que circula por los tubos. El caudal es de 100 kg/s. 12
Diagrama de flujo del proceso F1 C1 B1 HEATX C2 F2 13
a) Calcular la temperatura de salida de ambos fluidos utilizando el método simplificado, suponiendo U = 750 W(m 2 K) y F T = 0.95. Siguiendo los pasos propuestos en el procedimiento y habiendo supuesto el coeficiente global de transmisión de calor y el factor corrector de la temperatura media logarítmica constantes e iguales a 750 W/(m 2 K) y 0.95 respectivamente, sólo queda introducir el valor del área de intercambio de calor para poder realizar la simulación, la cual se obtiene: A = pdl.nº de Tubos = (p)(0.025)(3.2)(255) = 64.1 m 2 14
b) Calcular la temperatura de salida de ambos fluidos utilizando el método riguroso: Suponiendo U constante e igual a 750 W/(m 2 K) En este caso, debemos especificar la geometría del cambiador y con ésta, Aspen calcula la diferencia de temperaturas media logarítmica. Todos los datos del cambiador se encuentran expuestos al lado del dibujo Además en el programa ha de indicarse cuál es el fluido que circula por la carcasa ( fluido caliente: acetona), y cuál es el que circula por los tubos (fluido frío: agua). Utilizando la geometría del cambiador para estimar U: Igual que antes pero seleccionando la opción en la que U dependa de la geometría en vez de mantenerse constante. 15
c) Tras un determinado tiempo de uso se produce ensuciamiento en el interior de los tubos. Si la resistencia de ensuciamiento, R f, es de 2 E-4 m 2 K/W, calcular las temperaturas de salida de ambas corrientes en estas condiciones. En este caso se elige la opción adecuada en Aspen para que en la simulación, tenga en cuenta dicha resistencia (Film Coefficient). Los resultados obtenidos para los tres apartados anteriores se recogen en las siguientes tablas: 16
Diseño de un cambiador de calor mediante ASPEN PLUS APARTADO TSALIDA ACETONA (ºC) TSALIDA AGUA (ºC) UM (W/M2K) A 57,55 37,18 750 B 56,29 37,21 750 C 55,27 37,24 793,6 En cuanto al apartado c, al tener en cuenta el factor de ensuciamiento, esta resistencia interviene negativamente en la transmisión de calor. 17
El programa ASPEN PLUS simplifica los cálculos ya que al indicar las variables del sistema (según el modelo que se aplique también se determinará la geometría) se obtiene un informe detallado de lo que sucede a lo largo del cambiador. También existen correlaciones bibliográficas con las que se pueden calcular los coeficientes de calor o perfiles de temperatura. 18
Bibliografía Foust, Alan S. et al. (2006). Principios de las operaciones unitarias. 2a ed. CECSA. México Perry, Robert H. (2001). Manual del Ingeniero Químico. Ed. McGraw-Hill, España. Ocon García, J. y Tojo Barreiro, G. (1970). Problemas de Ingeniería Química. Ed. Aguilar, España. C. Somers, A. Mortazavi, Y. Hwang, R. Radermacher, P. Rodgers, S. Al-Hashimi (2011). Modeling water/lithium bromide absorption chillers in ASPEN Plus. Applied Energy, 88 (11), 4197-4205 Wayne Doherty, Anthony Reynolds, David Kennedy (2010). Computer simulation of a biomass gasification-solid oxide fuel cell power system using Aspen Plus. Energy, 35 (12), 4545-4555 19
EN INGENIERÍA QUÍMICA Diseño de un cambiador de calor mediante ASPEN PLUS 20