CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
11 CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
Este capítulo contiene los fundamentos teóricos necesarios para desarrollar la investigación concerniente a la problemática existente en la Planta de Urea de la Industria Petroquímica específicamente en la Ingeniería Conceptual para la Instalación de un Intercambiador de Calor, y otros aspectos de interés que soportan la aplicación del objeto de estudio, para dar a conocer la teorización de la variable.
1. ANTECEDENTES DE LA INVESTIGACIÓN
Para soportar la presente investigación se tomo como referencia algunas investigaciones realizadas por otros autores sobre la variable de estudio, las cuales se encuentran enfocadas hacia diversas áreas.
Soria, Mejía y Pérez, Republica del Ecuador (2011); realizaron una investigación titulada Ingeniería conceptual básica y detalle de un banco de pruebas para intercambiadores de calor tipo tubo concéntrico y multitubos para flujo paralelo y contraflujo utilizando como fluidos de trabajo aceites API y agua para el laboratorio de conversión de la energía del DECEM. En la actualidad es necesario en el proceso de enseñanza - aprendizaje Proporcionar al estudiante universitario equipos de tecnología adecuada que
permitan realizar ensayos, pruebas y diseños experimentales científicos con las condiciones similares a las del trabajo en situaciones o escenarios reales. Los prototipos diseñados, construidos e implementados con este fin permiten a menor costo validar y consolidar conceptos, teorías y aplicaciones importantes.
En base a esto se ha tomado la iniciativa de aportar al laboratorio de conversión de la energía del DECEM, un banco de pruebas para intercambiadores de calor multitubo y tubo concéntrico en flujo paralelo y contraflujo como ya posee el laboratorio con la diferencia que este trabajará con fluidos Agua-Aceite al contrario del ya existente que trabaja solo con fluidos Agua-Agua. Todo esto con el fin que el estudiante pueda acceder a realizar prácticas en el laboratorio utilizando intercambiadores que trabajen con agua y también con aceite ya que hoy en día muchos intercambiadores de calor industriales utilizan dicho fluido mencionado y es muy importante adquirir conocimientos del comportamiento del mismo.
El proyecto se ha dividido en tres principales etapas. Primero se ha optado por la reconstrucción y reingeniería de dos intercambiadores de calor aportados por el laboratorio del DECEM. La segunda etapa trato el estudio y diseño del banco de pruebas y por último se procedió a la construcción y montaje del mismo donde se desarrollaron pruebas y se obtuvieron resultados los cuales fueron tabulados y validados comparando así que cumplen con lo establecido en el diseño. Es así, que la Escuela Politécnica del Ejercitó y sus estudiantes que son los directos beneficia rios contarán con un equipo totalmente nuevo y perfectamente funcional, que facilitará el aprendizaje y les brindará datos exactos y confiables.
Esta investigación aporta las teorías pertinentes sobre el desarrollo de la variable de estudio como lo es la ingeniería conceptual para la instalación de un intercambiador de calor en la planta de urea de una industria petroquímica.
Gómez y González, Maracaibo (2012); realizaron una investigación titulada Ingeniería conceptual para una planta procesadora de queso mozzarella de búfala. Se realiza este proyecto con la finalidad de establecer los parámetros básicos para la construcción de una planta procesadora de queso mozzarella de búfala en Costa Rica, lo que facilitará el proceso de industrialización de este rubro; para ello se consultaron principalmente a los autores Baca, Spreer, Núñez y Palacios. La técnica empleada fue la revisión documental. Con el uso de normas internacionales, se determinaron las especificaciones microbiológicas, fisicoquímicas y atributos físicos de la materia prima y del producto.
Así mismo, se describió el proceso de fabricación con el uso de manuales, estableciendo las máquinas y equipos requeridos para el proceso.
Posteriormente, se definió la capacidad a instalar en función de la producción de leche de búfala en el país, siendo esta de 3983 empaques de 500 gramos por día, lo suficiente como para suplir el 10 por ciento de la demanda potencial insatisfecha interna y alrededor de 4 por ciento de la externa.
Adicionalmente, se estableció el espacio que se necesita para el proceso, el cual considera el área de las máquinas y servicios auxiliares, oficinas, laboratorio de calidad y área de recepción y despacho; se evaluaron dos
distribuciones de planta con el criterio del espacio, una con un patrón de flujo en zigzag y otra en línea recta, resultando como mejor, la primera con un total de 758m2. Finalmente, se estimó la rentabilidad de la planta, lo que arrojo valores de VPN y TIR con desviaciones propias de la ingeniería conceptual.
Esta investigación aporta las teorías pertinentes sobre el desarrollo de la variable de estudio y como dicha teoría será aplicada para establecer los parámetros básicos para la construcción de un intercambiador de calor para la planta de urea de la industria petroquímica, en donde adicionalmente se establecerá el espacio que se necesita para el proceso y a su vez se estimara la rentabilidad de la dicho intercambiador.
Quintero Calles, Maracaibo (2011); realizó una investigación titulada Modelo para el mejoramiento de la confiabilidad operacional de los oleoductos en la fase conceptualización de los proyectos en la industria petrolera venezolana. El propósito de la presente investigación fue proponer un modelo para el mejoramiento de la confiabilidad operacional de los oleoductos en la fase conceptualización de los proyectos en la industria petrolera venezolana.
El estudio desarrollado reviste características de tipo descriptivo, enmarcada dentro del proyecto factible de diseño no experimental, transeccional, descriptivo, de campo, apoyado en un proceso indagatorio ejecutado utilizando como técnica de recolección de datos la encuesta y como instrumento el cuestionario aplicado a 20 sujetos miembros de la
organización, y que laboran específicamente en el área de proyectos en la industria petrolera. Adicionalmente, estuvo respaldada por la revisión de expertos en el área metodológica, diseño de oleoductos, confiabilidad y proyectos, así como por un proceso analítico de tipo documental apoyado en la revisión de autores reconocidos; en la que se consideró el proceso de diseño y las herramientas de la confiabilidad operacional aplicada al diseño conceptual de los oleoductos.
Como resultado del estudio se determino que existen desviaciones en la aplicación correcta de la confiabilidad operacional en el proceso de diseño de oleoductos en la fase conceptualización de los proyectos, igualmente se determino la ausencia de un modelo que oriente en la aplicación de las herramientas de la confiabilidad lo cual se reflejo en la falta de adiestramiento del personal, baja compresión del proceso de confiabilidad y poco involucramiento de especialistas. La propuesta desarrollada pretende introducir en el proceso de diseño de oleoductos en la industria petrolera, los elementos básicos de la confiabilidad que estarán presente a lo largo del ciclo de vida del proyecto permitiendo orientar la forma fácil al personal en la obtención de una herramienta cuyo impacto en las decisiones se perciba desde su ingeniería conceptual.
Dicha investigación aporta las teorías pertinentes sobre el desarrollo de la variable de estudio y como dicha teoría será aplicada para dar confiabilidad operacional en el proceso de diseño de intercambiadores en el marco de la conceptualización.
Tamayo Albán, Republica del Ecuador (2012); realizó una investigación titulada Ingeniería conceptual, básica y de detalle para la construcción y automatización de un gasificador tipo Downdraft o flujo concurrente de 10 kW de potencia. A partir del análisis inmediato y elemental de los residuos forestales, se estudió la posibilidad de su descomposición térmica mediante un método termoquímico, en este caso la gasificación. Esto permitió diseñar y construir un gasificador de lecho fluidizado capaz de lograr estos requerimientos. La comunidad científica a nivel mundial trabaja en el desarrollo de nuevas tecnologías que permiten el aprovechamiento energético de los residuos agrícolas e industriales, permitiendo incrementar el valor económico de diferentes materiales.
El desarrollo de esta tesis va dirigido en ese sentido llevando a cabo diferentes tecnologías que permitan el aprovechamiento de estos residuos como nuevas fuentes de energía. La gasificación forma parte de estas tecnologías y en este caso se utilizará como materia sólida los residuos forestales. En un gasificador de flujo descendente, el material de alimentación (residuos de forestales) se introduce tan rápido como se alcanza una temperatura suficientemente elevada (820 ºC). Las partículas del combustible se introducen en el lecho del reactor, se mezclan rápidamente con el material del lecho y se calientan casi instantáneamente, alcanzando así la temperatura de este.
Como resultado de este tratamiento, el combustible se pirolisa muy rápidamente, dando como resultado una mezcla de componentes con una
cantidad relativamente elevada de materiales gaseosos, la fase de gas se reproduce una nueva gasificación y reacciones de los alquitranes. La instalación va equipada con un ciclón interno, a fin de reducir el mínimo de escape de partículas sólidas. Las partículas de ceniza se extraen también por la parte inferior del reactor y en el ciclón de gas si este se emplea en aplicaciones para motores.
Esta investigación aporta las teorías pertinentes sobre el desarrollo de la variable de estudio en lo que refiere a identificar la viabilidad técnica y económica del proyecto, marcando las pautas para el desarrollo de la ingeniería básica y de detalle.
2. BASES TEÓRICAS
Seguidamente, se presenta la fundamentación teórica de la investigación vinculado con el planteamiento de diversos autores y que guardan relación con la variable del estudio de los conceptos presentados a continuación.
2.1. PROYECTO
Según Cartay (1996, p. 1-2); Todo proyecto consiste de un conjunto ordenado de acciones que tienden a la realización de un determinado fin.
Sea sencillo o complejo, todo proyecto tiene un inicio y un fin definidos en el tiempo, y se conciben como una secuencia de actividades tendientes a buscar, analizar y coordinar un conjunto de informaciones y datos que justifiquen, según ciertos criterios, su ejecución.
2.1.1. CARACTERISTICAS DE LOS PROYECTOS
Como lo expresa Cartay (1996, p. 1-2); Los proyectos presentan ciertas características comunes, tales como:
- Son definidos en el tiempo, esto es, el conjunto de actividades definidas para la obtención de una finalidad se sitúan entre un inicio y un fin especificados
- Son esfuerzos singulares en el sentido de que las acciones que los definen no son ni repetitivas ni homogéneas
- Son sistemas complejos, es decir, son entidades complejas compuestas por elementos físicos (materiales, maquinas, personas…) y, abstractos (datos, informes, notas, procedimientos…)
- Están estructurados, esto es, lo elementos que integran un proyecto están relacionados entre si, estructurados de manera que el sistema constituye una unidad diferente a la mera organización de las partes
La relación e interacción es a menudo mucho más importantes que los elementos mismos
- Son entidades activas, en el sentido de que todo proyecto realiza una función o efectúa un proceso, o varias funciones o procesos independientes, que operan sobre ciertas entradas o insumos del proyecto, dando por resultado determinadas salidas o productos del mismo
- Tiene una finalidad. Todo proyecto obedece a propósitos u objetivos definidos, que determinan la composición, estructuración y acción del
sistema. En otras palabras, los proyectos se diseñan, construyen y operan con vista a objetivos bien especificados y, sus salidas o productos deben responder a los objetivos de aque llos
- Tiene fronteras. Todo proyecto debe ser limitado para ser susceptible de análisis. Las fronteras del proyecto quedan definidas al especificarse los componentes del mismo, ya sea enunciándolas explícitamente o dando características distintivas a los mismos.
- Poseen un ambiente. Todo aquello que no forma parte del proyecto, pero que influye en el o sufre influencias del mismo, se denomina ambiente del proyecto. Elementos muy importantes del ambiente son los sistemas que, junto con el proyecto, constituyen sistemas de orden inmediato superior
- Tienen sus propios requisitos gerenciales. Desde el punto de vista organizacional los proyectos establecen requisitos gerenciales propios, en la mayoría de los casos incompatibles con la estructura y funcionamiento de la organización convencional que los patrocina.
2.1.2. CATEGORIAS GENERALES DE LOS ELEMENTOS DE UN PROYECTO
Por medio de las teorías de Cartay (1996, p. 1 -3) - Operaciones o actividades: Las cosas que hacemos - Recursos o instrumentos: Las cosas que usamos
- Las condiciones o restricciones bajo las cuales debemos trabajar.
2.1.3. CONOCIMIENTOS PARA ADMINISTRAR UN PROYECTO
Según Cartay (1996, p. 1-3); Por lo general, se cree que las personas mejor dotadas para cumplir funciones de administración son aquellas que han adquirido en la empresa un gran dominio de la labor técnica propia del giro de ella. Sin embargo, y sin desconocer la capital importancia de los conocimientos tecnológicos, la función de manejar el proceso administrativo requiere de una habilidad distinta y adicional: La habilidad administrativa, de modo que la mezcla de ambas se conjuguen positivamente para la eficiente obtención de resultados.
Existe acuerdo en que se necesitan, por lo menos, dos tipos de conocimientos para llevar adelante los procesos administrativos de los proyectos: Los conocimientos técnicos y los conocimientos administrativos.
(a) Conocimientos Técnicos: Habilidad para usar el conocimiento teórico, las técnicas y el equipo necesario en la ejecución de las actividades de un proyecto.
(b) Conocimientos Administrativos: Resultantes de una mezcla de:
(1) Conocimientos Humanos. Habilidad y buen juicio para trabajar con y por medio de personas, incluyendo la comprensión de las variables psicológicas involucradas en las interacciones e interrelaciones humanas
(2) Conocimientos Conceptuales. Habilidad para comprender a la organización del proyecto como un sistema que es capaz de diferenciar e
integrar actividades que utilizan, transforman y unen un conjunto de recursos humanos, materi ales y de otras clases en equilibrio con el ambiente. Este conocimiento permite actuar de acuerdo con los objetivos de la organización entera y no, en función de metas y necesidades de su propio grupo inmediato.
2.1.3.1. FASES PARA LA ADMINISTRACION DE PROYECTOS
Según lo expresado por Cartay (1996, p. 1-6); expresa las fases para la administración de proyectos como:
- Fase de racionalidad técnica. Caracterizada por una estructura relativamente independiente de las actividades que componen un proyecto.
Las etapas pueden planificarse con el objetivo de alcanzar niveles satisfactorios en función de su ejecución parcial, elaborarse de manera operacional y compatible, aunque en forma relativamente independiente unas de otras, con lo cual se obtendrían resultados menos que óptimos, es decir, el desenlace final puede ser adecuado, pero el resultado no es mas que una sumatoria o agregación de partes.
La fase racional es el producto del análisis efectuado mediante la estrategia del sistema cerrado, que busca la certeza en la administración del proyecto teniendo como meta la sujeción a una red monolítica de control. El sistema cerrado contiene las variables pertinentes o intrínsecas del proyecto, todas las demás influencias o variables exógenas quedan excluidas.
- Fase actual de la administración de proyectos. Proviene de la estrategia de sistemas abiertos, cuyo énfasis se divide entre el objetivo que tiene como meta la supervivencia, e incorpora la incertidumbre, reconociendo la necesidad de interdependencia entre el proyecto y su medio ambiente. Esta es la fase de administración sistemática y conceptual, que comprende como mínimo:
(a) Actividades de entrada
(b) Actividades tecnológicas o de procesamiento (c) Actividades de salida
Dado que estas actividades son interdependientes, la administración del sistema exige que se unan correctamente unas con otras, por lo que conceptualmente se puede afirmar que el proyecto es un plan potencial de una acción integrada, mediante el cual se ejecuta un aspecto del desarrollo económico o social. Esto significa proponer la producción de algún bien o servicio empleando determinada técnica con el fin de obtener cierto resultado. Como plan de acción presupone también la indicación de los medios o instrumentos necesarios para su realización (proceso) y la educación de estos medios (retroalimentación) a los resultados que han de lograrse. El análisis de estas condiciones se efectúa de forma integrada, tanto desde el punto de vista económico como técnico, financiero, administrativo e institucional.
2.1.4. MODULO SISTEMATICO DE UN PROYECTO
Como lo menciona Cartay (1996, p. 1-6); Las actividades que componen
un proyecto son interdependientes, así como las actividades de entrada y salida lo son con respecto a los elementos del ambiente. Así, la administración de proyectos requiere de una lógica de sistema abierto, pues cuando el proyecto esta abierto a influencias ambientales, algunos de los factores que intervienen en la acción del proyecto se transforma en coerciones; por un periodo de tiempo considerado dejan de ser variables y representan condiciones fijas a las cuales debe adaptarse el proyecto.
2.1.5. ANTECEDENT ES NECESARIOS PARA EL DESARROLLO DE PROYECTOS
Según Cartay (1996, p. 1-7); Puesto que los proyectos deben llevarse a cabo en armonía con el medio físico y aprovechando los recursos que el mismo provee, son antecedentes necesarios para el desarrollo de los proyectos, entre otras, los siguientes:
(1) El conocimiento e investigación de las leyes que gobiernen el mundo físico, es decir, la ciencia pura.
(2) La ciencia aplicada, o sea, el conjunto de investigaciones y conocimientos derivados de la ciencia pura, orientados a fines utilitarios, es decir, a la solución de los problemas que plantea la producción de satisfactores.
(3) El conocimiento empírico de medios y formas de hacer las cosas, no derivado de la experimentación científica que, junto con la ciencia aplicada, constituyen la tecnología.
Si bien, ciencia y tecnología son fundamentos de los proyectos, estos, al
tener como objetivo final satisfacer necesidades empresariales, tienen relación directa con la economía, motivo por el cual la excelencia de los proyectos no solo se estima en relación a la eficiencia técnica de los sistemas que crea, sino también con base en su eficiencia económica, expresada en función de los costos incurridos y de los beneficios alcanzados.
2.1.6. GERENCIA DE PROYECTOS
Así mismo lo menciona Cartay (1996, p. 1-11); La gerencia de proyectos puede ser descrita como la planificación, organización, dirección y control de los recursos asignados a un proyecto que debe ser completado para alcanzar metas y objetivos específicos. La gerencia de proyectos permite acometer tareas que no pueden ser manejadas eficientemente mediante las estructuras organizativas tradicionales, por lo que tiene que ser considerada como un desarrollo fundamental en la búsqueda de nuevas formas de organizaciones futuras, diseñadas para integrar esfuerzos complejos y disminuir la burocracia.
Igualmente, la gerencia de proyectos permite acometer la ejecución de actividades con un mínimo de interrupción para el funcionamiento normal de los negocios.
El objetivo de la administración o gerencia de proyectos, se define como un intento para alcanzar el uso más efectivo y eficiente de los recursos de : Fuerza laboral, Equipos, Facilidades, Materiales , Financieros, Informativos , Tecnológicos.
En resumen, administrar o gerenciar un proyecto consiste en desarrollar
una metodología que:
(a) Tenga en cuenta siempre los objetivos y sus efectos
(b) Mantenga constante y continuamente un control adecuado, tanto desde el punto de vista administrativo como técni co
(c) Parta del todo ( sistema) hacia las artes o subsistemas
2.1.7. FASES DEL CICLO DE VIDA DE UN PROYECTO
Haciendo referencia a lo expresado por Cartay (1996, p. 1-12); Cada sistema, proyecto o producto tiene ciertas fases de desarrollo, por lo que un claro entendimiento de estas permite un mejor control de los recursos en el camino hacia los objetivos. Las fases de desarrollo se interpretan como las fases del ciclo de vida; sin embargo, tanto la tecnología como la desagregación usadas para identificar estas fases variaran en la misma media en que la discusión se enfoque hacia productos o sistemas de producción.
2.2. INTERCAMBIADOR DE CALOR
Según Foust (2006, p. 8), define un intercambiador de calor como un aparato que se utiliza para transferir calor de un fluido circulando sobre un lado de una pared a otro circulando al otro lado de la pared es decir existe una cesión de energía mediante una combinación de los mecanismo de transferencia de calor (conducción, convección, radiación) cambiando la temperatura de otros fluidos, plantas de potencia de vapor, procesamiento
químico, calefacción, aire acondicionado, refrigeradores domésticos, radiadores de automóviles, regeneradores, intercambiadores tipo caldera, súper calentadores.
Así mismo, en el Manual de PDVSA (2005, p. 6), lo define como un dispositivo que efectúa la transferencia de calor de un fluido caliente a uno frio. Para lograr esta transferencia, los fluidos pueden mezclarse directamente o estar separados uno del otro por una pared de la cual fluye el calor. Se menciona que la función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía térmica entre dos o más fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como el resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frio a través de una pared de separación, la cual se le denomina superficie o área de trasferencia de calor. Es decir, no existe fuente de energía térmica en un intercambiador de calor.
Así mismo como lo mencionan Cengel y Boles (2000, p. 198), definen a intercambiadores de calor como dispositivos donde dos corrientes de fluido en movimiento intercambian calor sin mezclarse.
2.2.1. TIPOS DE INTERCAMBIADORES DE CALOR
Según Manual de PDVSA (2005, p. 10), dada la multitud de aplicaciones de estos dispositivos, se puede realizar una clasificación dependiendo de su construcción. Para la elección del mismo se consideran aspectos como tipo de fluido, densidad, viscosidad, contenido en sólidos, límite de temperaturas, conductividad térmica, entre otros.
Los intercambiadores de calor se pueden clasificar basándose en:
clasificación por la distribución de flujo. Tienen cuatro tipos de configuraciones más comunes en la trayectoria del flujo. En la distribución de flujo en paralelo, los fluidos caliente y frío, entran por el mismo extremo del intercambiador, fluyen a través de él en la misma dirección y salen por el otro extremo.
En la distribución en contracorriente, los fluidos caliente y frío entran por los extremos opuestos del intercambiador y fluyen en direcciones opuestas.
En la distribución en flujo cruzado de un solo paso, un fluido se desplaza dentro del intercambiador perpendicularmente a la trayectoria del otro fluido.
En la distribución en flujo cruzado de paso múltiple, un fluido se desplaza transversalmente en forma alternativa con respecto a la otra corriente de fluido.
Clasificación según su aplicación. Para caracterizar los intercambiadores de calor basándose en su aplicación se utilizan en general términos especiales. Los términos empleados para los principales tipos son:
Calderas: Las calderas de vapor son unas de las primeras aplicaciones de los intercambiadores de calor. Con frecuencia se emplea el término generador de vapor para referirse a las calderas en las que la fuente de calor es una corriente de un flujo caliente en vez d e los productos de la combustión a temperatura elevada.
Condensadores: Los condensadores se utilizan en aplicaciones tan variadas como plantas de fuerza de vapor, plantas de proceso químico y
plantas eléctricas nucleares para vehículos espaciales. Los tipos principales son los condensadores de superficie, los condensadores de chorro y los condensadores evaporativos.
El tipo más común es el condensador de superficie que tiene la ventaja de que el condensado sé recircula a la caldera por medio del sistema de alimentación.
Intercambiadores de calor de coraza y tubos: Las unidades conocidas con este nombre están compuestas en esencia por tubos de sección circular montados dentro de una coraza cilíndrica con sus ejes paralelos al aire de la coraza.
Los intercambiadores de calor líquido-líquido pertenecen en general a este grupo y también en algunos casos los intercambiadores gas-gas. Son muy adecuados en las aplicaciones en las cuales la relación entre los coeficientes de transferencia de calor de las dos superficies o lados opuestos es generalmente del orden de 3 a 4 y los valores absolutos son en general menores que los correspondientes a los intercambiadores de calor líquido- líquido en un factor de 10 a 100, por lo tanto se requiere un volumen mucho mayor para transferir la misma cantidad de calor.
Existen muchas variedades de este tipo de intercambiador; las diferencias dependen de la distribución de configuración de flujo y de los aspectos específicos de construcción. La configuración más común de flujo de intercambiadores líquido-líquido de coraza y tubos.
Un factor muy importante para determinar el número de pasos del flujo por
el lado de los tubos es la caída de presión permisible. El haz de tubos está provisto de deflectores para producir de este modo una distribución uniforme del flujo a través de él.
Torres de enfriamiento: Las torres de enfriamiento se han utilizado ampliamente para desechar en la atmósfera el calor proveniente de procesos industriales en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano.
Los tipos más comunes son las torres de enfriamiento por convección natural y por convección forzada. En la torre de enfriamiento por convección natural el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían tanto por convección ordinaria como por evaporación.
La plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media de caída de las gotas y por lo tanto aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aire en la torre. Se han construido grandes torres de enfriamiento del tipo de convección natural de más de 90 m de altura para desechar el calor proveniente de plantas de fuerza.
En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente de aire producida por un ventilador, el cual lo hace circular a través de la torre. El ventilador puede estar montado en la parte superior de la torre aspirando así el aire hacia arriba, o puede estar en la base por fuerza de la torre obligando al aire a que fluya directamente hacia dentro.
Intercambiadores compactos de calor: La importancia relativa de criterios tales como potencia de bombeo, costo, peso y tamaño de un
intercambiador de calor varía mucho de una instalación a otra, por lo tanto no es siempre posible generalizar tales criterios con respecto a la clase de aplicación.
Cuando los intercambiadores se van a emplear en la aviación, en la marina o en vehículos aeroespaciales, las consideraciones de peso y tamaño son muy importantes. Con el fin de aumentar el rendimiento del intercambiador se fijan aletas a la superficie de menor coeficiente de transferencia de calor.
Las dimensiones de la matriz del intercambiador así como el tipo, tamaño y dimensiones apropiadas de las aletas varían con la aplicación específica. Se han diseñado varios tipos que se han utilizado en numerosas aplicaciones.
Radiadores para plantas de fuerza espaciales: La remoción del calor sobrante en el condensador de una planta de fuerza que produce la electricidad para la propulsión, el comando y el equipo de comunicaciones de un vehículo espacial presenta problemas serios aún en plantas que generan sólo unos pocos kilovatios de electricidad.
La única forma de disipar el calor sobrante de un vehículo espacial es mediante la radiación térmica aprovechando la relación de la cuarta potencia entre la temperatura absoluta de la superficie y el flujo de calor radiante.
Por eso en la operación de algunas plantas de fuerza de vehículos espaciales el ciclo termodinámico se realiza a temperaturas tan altas que el radiador permanece al rojo. Aun así es difícil de mantener el tamaño del radiador para vehículos espaciales dentro de valores razonables.
Regeneradores: En los diversos tipos de intercambiadores que hemos discutido hasta el momento, los fluidos frío y caliente están separados por una pared sólida, en tanto que un regenerador es un intercambiador en el cual se aplica un tipo de flujo periódico. Es decir, el mismo espacio es ocupado alternativamente por los gases calientes y fríos entre los cuales se intercambia el calor.
En general los regeneradores se emplean para recalentar el aire de las plantas de fuerza de vapor, de los hornos de hogar abierto, de los hornos de fundición o de los altos hornos y además en muchas otras aplicaciones que incluyen la producción de oxígeno y la separación de gases a muy bajas temperaturas.
Para los intercambiadores estacionarios convencionales basta con definir las temperaturas de entrada y salida, las tasas de flujo, los coeficientes de transferencia de calor de los dos fluidos y las áreas superficiales de los dos lados del intercambiador. Pero para los intercambiadores rotatorios es necesario relacionar la capacidad térmica del rotor con la de las corrientes de los fluidos, las tasas de flujo y la velocidad de rotación.
2.2.1.1. INTERCAMBIADOR DE TUBO Y CORAZA
Haciendo referencia a lo planteado en la Norma PDVSA (2005, p. 16), el intercambiador de tubo y carcaza consiste en un haz de tubos paralelos encerrados en un estuche cilíndrico llamado carcaza.
A su vez Cengel y Boles (2000, p. 198), hacen referencia a que la forma
mas simple de un intercambiador de calor es la del intercambiador de calor de doble tubo (también llamado de tubo y coraza). Se compone de dos tuberías concéntricas de diferentes diámetros. Un fluido circula por la tubería interior y el otro en el espacio anular entre las dos tuberías. El calor se transfiere del fluido caliente al frio mediante la pared que los separa. Algunas veces el tubo interior forma un par de vueltas dentro de la coraza para aumentar el área de transferencia de calor y, por ello, la relación de transferencia de calor.
2.3. TRANSFERENCIA DE CALOR
Cabe destacar lo expresado porMcCabe (2006, p. 7), prácticamente en todas las operaciones que realiza el ingeniero químico intervienela producción o absorción de energía en forma de calor. Las leyes que rigenla transmisión de calor y el tipo de aparatos, cuyo fin principal es el control delflujo de calor, tienen, por tanto, una gran importancia.
Naturaleza del flujo de calor. Cuando dos objetos que están a temperaturas diferentes se ponen en contacto térmico, el calor fluye desde el objeto de temperatura más elevada hacia el de temperatura más baja. El flujo neto se produce siempre en el sentido de la temperatura decreciente. Los mecanismos por los que fluye el calor son tres: conducción, convección y radiación.
A su vez Orozco, (1998, p. 9), expresa que la transferencia de calor es un fenómeno que aplica a muchas operaciones y procesos unitarios. Sin
embargo, hay un caso en el que es el mecanismo dominante y se denomina como tal: Transferencia de Calor. Los ejemplos más representativos aplican al diseño de intercambiadores y como mecanismo dominante en la operación de evaporación.
2.3.1. TIPOS DE TRANSFERENCIAS DE CALOR
SegúnMcCabe (2006, p. 22), los tipos de transferencia de calor son los siguientes:
Conducción: Si existe un gradiente de temperatura en una sustancia el calorpuede fluir sin que tenga lugar un movimiento observable de la materia.
El flujo de calor de este tipo recibe el nombre de conducción. En sólidos metálicos la conducción del calor resulta del movimiento de los electrones no ligados y existe una estrecha relación entre la conductividad térmica y la conductividad eléctrica.
En los sólidos que son malos conductores de la electricidad, y en la mayor parte de los líquidos, la conducción del calor se debe al transporte de la cantidad de movimiento de las moléculas individuales a lo largo del gradiente de temperatura. En gases la conducción se produce por el movimiento al azar de las moléculas, de forma que el calor «difunde» desde regiones más calientes hasta otras más frías. El ejemplo más común de conducción es el flujo de calor en sólidos opacos, tales como la pared de ladrillo de un horno o la pared metálica de un tubo.
Convección: Cuando una corriente o una partícula macroscópica de
fluido cruza una superficie específica, tal como el límite de un volumen de control, lleva consigo una determinada cantidad de entalpía. Tal flujo de entalpía recibe el nombre de flujo convectivo de caloro simplemente convección. Puesto que la convección es un fenómeno macroscópico, solamente puede ocurrir cuando actúan fuerzas sobre la partícula o la corriente de fluido y mantienen su movimiento frente a las fuerzas de fricción.
La convección está estrechamente relacionada con la mecánica de fluidos.
De hecho, desde el punto de vista termodinámico, la convección no es considerada como un flujo de calor sino como una densidad de flujo de entalpía. La identificación de la convección con el flujo de calor es una cuestión de conveniencia, debido a que en la práctica es difícil separar la convección de la conducción verdadera cuando ambas se engloban conjuntamente bajo el nombre de convección. Ejemplos de convección son la transferencia de entalpía por los remolinos del flujo turbulento y por la corriente de aire caliente que circula a través y hacia fuera de un radiador ordinario.
Convección natural y forzada: Las fuerzas utilizadas para crear las corrientes de convección en los ruidos son de dos tipos. Si las corrientes son la consecuencia delas fuerzas de flotación generadas por diferencias de densidad, que a su vez se originan por gradientes de temperatura en la masa del fluido, la acción recibe el nombre de convección natural. El flujo de aire a través de un radiador caliente es un ejemplo de convección natural.
Si las corrientes se ponen en movimiento por la acción de un dispositivo
mecánico, tal como una bomba o un agitador, el flujo es independiente de los gradientes de velocidad y recibe el nombre de convecciónforzada. El flujo de calor hacia un fluido que se bombea a través de una tubería caliente es un ejemplo de convección forzada. Los dos tipos de fuerzas pueden ser activas simultáneamente en el mismo fluido, teniendo lugar conjuntamente convección natural y forzada.
Radiación: Radiación es la palabra que se utiliza para designar la transmisiónde energía a través del espacio por medio de ondas electromagnéticas. Si la radiación pasa a través de un espacio vacío, no se transforma en calor ni en otra forma de energía. Sin embargo, si en su camino encuentra material, la radiación se transmitirá, reflejará o absorberá.
Solamente la energía absorbida es la que aparece como calor y esta transformación es cuantitativa. Por eje mplo, el cuarzo fundido transmite prácticamente toda la radiación que incide sobre él; una superficie opaca pulimentada o un espejo reflejan la mayor parte de la radiación incidente;
una superficie negra o mate absorbe la mayor parte de la radiación que recibe y la energía absorbida es transformada cuantitativamente en calor.
2.4. CÁMARAS DE MEZCLA
Según lo indicado por Cengel y Boles (2000, p. 197), en aplicaciones de ingeniería, la mezcla de dos corrientes de fluidos es un hecho frecuente. La sección donde sucede el proceso de mezclado es denominado Cámara de
Mezcla. La cámara de mezcla no tiene que ser una “cámara” especial. Un ordinario codo en T o uno en Y en una regadera, sirve como una cámara de mezcla para las corrientes de agua caliente y fría.
2.5. FLUJO QUE VIAJA A TRAVÉS DE LOS TUBOS
Haciendo referencia a las Normas PDVSA (2005, p. 35), el flujo a través de conducciones circulares es importante, no sólo como operación de ingeniería, sino también como un ejemplo de relaciones cuantitativas sobre el flujo de fluidos en general.
2.6. AMONIACO
Según Foust (2000, p . 15), define amoniaco como Trihidruro de nitrógeno , hidruro de nitrógeno (III), azano, espíritu de Hartshorn,nitro- sil, vaporole, gas de amonio o AM-FOL es un compuesto químico cuya molécula consiste en un átomo de nitrógeno (N) y tres átomos de hidrógeno (H) de acuerdo a la fórmulaNH3.
Según la Teoría de repulsión entre pares de electrones de la capa de valencia (Teoría RPECV), los pares electrónicos de valencia del nitrógeno en la molécula se orientan hacia los vértices de un tetraedro, distribución característica cuando existe hibridación sp3. Existe un par solitario, por lo que la geometría de la molécula es piramidal trigonal (grupo puntual de simetríaC3v). En disolución acuosa se puede comportar como una base y formarse e l ion amonio, NH4+
, con un átomo de hidrógeno en cada vértice de
un tetraedro:
El amoníaco, a temperatura ambiente, es un gas incoloro de olor muy penetrante y nauseabundo. Se produce naturalmente por descomposición de la materia orgánica y también se fabrica industrialmente. Se disuelve fácilmente en el agua y se evapora rápidamente. Generalmente se vende en forma líquida.
La cantidad de amoníaco producido industrialmente cada año es casi igual a la producida por la naturaleza. El amoníaco es producido naturalmente en el suelo por bacterias, por plantas y animales en descomposición y por desechos animales. El amoníaco es esencial para muchos procesos biológicos.
La mayor parte del amoníaco producido en plantas químicas es usado para fabricar abonos y para su aplicación directa como abono. El resto es usado en textiles, plásticos, explosivos, en la producción de pulpa y papel, alimentos y bebidas, productos de limpieza domésticos, refrigerantes y otros productos.
2.7. UREA
Como lo expresaFoust (2000, p.37), la urea es un compuesto químico cristalino bipolar e incoloro, de fórmula CO(NH2)2. Se encuentra abundantemente en la orina y en la materia fecal. Es el principal producto terminal del metabolismo de proteínas en el hombre y en los demás mamíferos . La orina humana contiene unos 20g por litro, y un adulto
elimina de 25 a 39g diariamente.
En cantidades menores, está presente en la sangre, en el hígado, en la linfa y en los fluidos serosos, y también en los excrementos de los peces y muchos otros animales. También se encuentra en el corazón, en los pulmones, en los huesos y en los órganos reproductivos así como el semen. La urea se forma principalmente en el hígado como un producto final del metabolismo.
El nitrógeno de la urea, que constituye el 80% del nitrógeno en la orina , procede de la degradación de los diversos compuestos con nitrógeno, sobre todo de los aminoácidos de las proteínas en los alimentos. En los mamíferos la urea se forma en un ciclo metabólico denominado ciclo de la urea. La urea está presente también en los hongos así como en las hojas y semillas de numerosas legumbres y cereales.
2.8. CALOR
Según Cengel y Boles, Termodinámica (2002, p. 122), ellos definen el calor como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas (o un sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. Es decir, una interacción de energía es calor solo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. El calor es energía en transición, que se reconoce solo cuando cruza la frontera de un sistema.
Así mismo Orozco, (1998, p. 63), expresa que el calor es parte de un flujo tota de energía que pasa por un límite del sistema debido a un gradiente de temperatura entre el sistema y sus alrededores. Esta es una energía
siempre en trá nsito.
2.9. FACTORES QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO
2.9.1. VOLUMEN ESPECIFICO
Según Cengel y Boles (2002, p. 11), hacen mención a una propiedad que en termodinámica se usa con mayor frecuencia como lo es el volumen específico. Se trata del reciproco de la densidad y se define como el volumen por unidad de masa.
2.9.2. DENSIDAD
Según la teoría de Cengel y Boles (2002, p . 10), definen la densidad como masa por unidad de volumen. En general la densidad de una sustancia depende de la temperatura y de la presión. La densidad de la mayoría de los gases es directamente proporcional a la presión e inversamente proporcional a la temperatura. Para líquidos y sólidos la variación de su densidad con la presión es por lo general despreciable.
2.9.3. TEMPERATURA
De acuerdo aCengel y Boles (2002, p. 25), mencionan que aunque existe cierta familiaridad con la temperatura como medida de lo “caliente” o lo “frio”, no es fácil definirla con exactitud. De acuerdo con las sensaciones fisiológicas, el nivel de temperatura se expresa en un sentido cualitativo con palabras como
congelado, frio, tibio, caliente y ardiente. Sin embargo, no es posible asignar valores numéricos a las temperaturas solo con base en las sensaciones.
2.9.4. PRESIÓN
Según Cengel y Boles (2002, p. 28), definen la presión como la fuerza que ejerce un fluido por una unidad de área. La presión solo se emplea cuando se trata con un gas o un líquido. La contraparte de la presión en los sólidos es el esfuerzo. Puesto que la presión se define como fuerza por unidad de área, usa la unidad de newton por metro cuadrado (N/m2) la cual se llama Pascal (Pa).
2.9.5. PESO ESPECIFICO
Como lo indica Cengel y Boles (2002, p. 6), definen el peso especifico como el peso de un volumen unitario de una sustancia y se determina W=
pg, donde p es la densidad.
2.9.6. TRABAJO
Según Orozco (1998, p. 63), define el trabajo como oro tipo de energía que se transfiere entre el sistema y sus alrededores.
Asímismo, para Cengel y Boles (2002, p. 7), el trabajo es una forma de energía, se define como el producto de la fuerza por la distancia; en consecuencia, tiene la unidad “newton-metro (N.m)”, que se llama Joule (J).
2.9.7. ENERGÍA
Según Cengel y Boles (2002, p. 2), definen la energía como la capacidad para producir cambios.
2.10. PRINCIPIOS DE LA CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
Según lo expresado por Cengel y Boles (2002, p . 2), hacen mención a que una de las leyes fundamentales de la naturaleza es el principio de la conservación de la energía, que establece que durante una interacción, la energía puede cambiar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía permanece constante, por lo tanto, la energía no puede crearse ni destruirse.
2.11. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Según Cengel y Boles (2002, p. 2), ellos la definen como una expresión sencilla del principio de conservación de energía, afirma que la energía es una propiedad termodinámica.
2.12. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA
Como lo mencionan Cengel y Boles (2002, p. 2), la energía tiene tanto calidad como cantidad, y los procesos reales tienden a la disminución de la calidad de la energía.
3. SISTEMA DE VARIABLES
3.1. DEFINICION NOMINAL
La variable de la investigación es Ingeniería Conceptual
3.2. DEFINICION CONCEPTUAL
Conceptualmente Ingeniería Conceptualsirve para identificar la viabilidad técnica y económica del proyecto y marcará la pauta para el desarrollo de la ingeniería básica y de detalle. Se basa en un estudio previo (estudio de viabilidad) y en la definición de los requerimientos del proyecto.(Cartay Iván, 1996, p. 1-2).
Posterior a ello se entiende que conceptualmente proyectose denomina como “un conjunto ordenado de acciones que tienden a la realización de un determinado fin. Sea sencillo o complejo, todo proyecto tiene un inicio y un fin definidos en el tiempo, y se conciben como una secuencia de actividades tendientes a buscar, analizar y coordinar un conjunto de informaciones y datos que justifiquen, según ciertos criterios, su ejecución”(Cartay Iván, 1996, p. 1-2).
3.3. DEFINICION OPERACIONAL
Operacionalmente “ingeniería conceptual”, es un estudio de viabilidad técnica, económica y operacional; mediante unos objetivos planteados para la instalación de un intercambiador de calor en la planta de urea, tomando en
cuenta los requerimientos mínimos de una industria petroquímica para mejorar los niveles de consumo de vapor en la misma y con ello la producción.
