UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

"DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REHERVIDOR Y CONDENSADOR PARA LA PUESTA EN OPERACIÓN DE UNA COLUMNA DE

DESTILACIÓN A NIVEL LABORATORIO"

TESIS

PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:

INGENIERO QUÍMICO

PRESENTADA POR:

Bach. HIDALGO ACEVEDO, Rlder Bladlmir Bach. PUCUHUAYLA PAUCAR, Roxana

HUANCAYO - PBRIÍ

ASESOR:

M.Sc. lván Osorio López

DEDICATORIA

Dedicado a mi mamá Nerida Anatolia por su ejemplo de coraje y valor frente a la vida, a mi papá Adolfo Víctor por sus enseñanzas y su fuerza de voluntad frente a las dificultades, a mis hermanos Danitza, Edison, Gustavo por sus palabras de aliento en los momentos más difíciles y su incondicional apoyo y a todas aquellas personas que Dios puso en mi camino los cuales fueron mi guía y un gran apoyo para la culminación de este gran paso, anhelo mío, de mi familia, y de mis grandes amigos.

Roxana.

Dedicado a mi papá Cesar por sus palabras de aliento para no quedarnos estancados, a mi mamá Teresa por su fuerza de empuje y las ganas que le pone para hacer las cosas; y mis hermanos Katherine, Ronald, Klim y Emily quienes me apoyaron en las buenas y las malas adversidades y nunca vacilaron y a aquellas personas que de alguna u otra manera me apoyaron con sus comentarios haciendo realidad este gran proyecto de muchos años logrando así cumplir sueños y deseo, para el éxito.

Rider.

AGRADECIMIENTO

Agradecemos en primer lugar a Dios, quien nos brinda vida, salud, inteligencia, guía y cuidado hasta hoy, que ha permitido hacer realidad nuestro deseo de lograr esta tesis, y de vivir en tu misericordia, tu amor, tus promesas, tu paz y seguridad en las pruebas que pondrás en nuestro camino ... !Gracias Señor!

Nuestro eterno agradecimiento padres queridos, por el sublime deseo de vernos realizados, logro que es vuestra satisfacción. Este agradecimiento va más allá de las palabras, que solo el tiempo sabrá saldar.

Gracias a ustedes queridos maestros, por que cual ve/ita encendida se fueron consumiendo para darnos la luz de su conocimiento, por vuestra paciencia, por vuestra simpatía, por vuestra comprensión, y recuerden que lo que ustedes han sembrado durante estos años, pronto darán sus más exquisitos frutos.

Gracias a cada uno de nuestros amigos y compañeros, por vuestra simpatía y amistad, por sus bromas que cada día le daban un matiz cálido a nuestra vida estudiantil, gracias Facultad de Ingeniería Química por albergarnos en tus aulas, por que en tu seno crecimos y nos hemos formado

Finalmente;

¡Gracias a todos! ... y .... ¡que Dios los bendiga!

LOS AUTORES

RESUMEN

El Laboratorio de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú -Huancayo, cuenta con una columna de destilación de múltiple etapas de equilibrio incompleta, que fue diseñada y construida, pero cuyo funcionamiento no se dio por la falta del condensador y rehervidor, elementos fundamentales en este tipo de separadores, que ha postergado su empleo en la labor docente para el que fue construido.

Ante este panorama, el objetivo trazado fue el de diseñar y construir el condensador y rehervidor y ponerlo en servicio para la juventud estudiosa de la Facultad.

Para logra nuestro objetivo, se procedió a rediseñar la columna a fin de verificar los parámetros de diseño involucrados, de modo que, a partir de ellos se realizara el diseño y construcción de los intercambiadores usando el método Efectividad del intercambiador de calor; una vez instalados se procedió a su puesta en marcha.

De los resultados del diseño se observa que el condehsador consta de dos placas y el rehervidor de tres placas de acero inoxidable serie 316 respectivamente, cada uno con flujo de fluidos en contracorriente. De las corridas experimentales en la puesta en marcha, se obtuvo concentraciones de destilado de etanol de 76 % mol, que concuerda con los cálculos teóricos de rediseño de la columna y los referidos en la literatura especializada para la presión de trabajo, además que cada una de las partes de la columna reproduce con gran precisión el fenómeno de la operación de destilación.

Finalmente, el aporte de la tesis hará realidad la interacción cognitiva-procedimental en la formación integral de los estudiantes, sin embargo, el procedimiento ejecutado en el diseño y construcción queda abierto para ser aplicados a otros equipos y escalas.

TABLA DE CONTENIDOS

DEDICATORIA. ... 1 AGRADECIMIENTO ... 11 RESUMEN ... 111 TABLA DE CONTENIDOS ... IV INDICE DE TABLAS ... VIl

INDICE DE FIGURAS VIII

INDICE DEL APENDICE X

NOMENCLATURA XII

INTRODUCCION XVII

OBJETIVOS XVIII

CAPITULO 1: ASPECTOS PRELIMINARES 1

1.1 DESCRIPCION DE LA TORRE DE DESTILACION ... 1

1.2 CASQUETES 2

1.3 PLATO PERFORADO 2

1.4 CUERPO DE LA COLUMNA 3

1.5 DESTILACION 3

1.6 PROCESO DE DESTILACION CONTINUA 3

1.7 COLUMNA DE DESTILACION 5

1.8 DISEÑO DE COLUMNAS DE DESTILACION PARA MEZCLAS BINARIAS 5

1.8.1 Método de Me Cabe-Thiele 5

1.8.2 Línea de operación de la zona de rectificación 7 1.8.3 Línea de operación de la zona de agotamiento 8

1.8.4 Línea de alimentación o linea q 10

1.9 DIMENSIONAMIENTO APROXIMADO PARA LA COLUMNA DE 13 DESTILACION

1.9.1 Espaciamiento de platos 13

1.9.2 Diámetro de columna 13

1.9.3 Velocidad de inundación 14

1.10 INTERCAMBIADOR DE CALOR ₁₄

1.1 0.1 Tipos de intercambiador de calor 15

1.11. CONDENSADOR Y REHERVIDOR 24

1. 11. 1 Condensador 24

1.11.2 Rehervidor 25

1.12 FACTORES PARA LA SELECCION DEL TIPO DE INTERCAMBIADOR 26

1.13 DISENO DEL INTERCAMBIADOR DE PLACAS 26

1.13.1 El método efectividad-Número de Unidades de Transferencia 26

1.13.2 Dimensionamiento 34

1.13.3 Caída de presión 36

CAPITULO 11. DISEÑO DE CONDENSADOR Y REHERVIDOR 40

2.1 DETEREMINACION DE LA RELACION DE REFLUJO EXTERNO 40

2.2 DISEÑO DEL REHERVIDOR TIPO PLACAS 41

2.2.1 Balance térmico en el fondo de la columna 41

2.2.2Cálculo del área de Transferencia de calor del rehervidor 44

2.2.3 Cálculo del número de placas 50

2.3 DISENO DEL CONDENSADOR TIPO PLACAS 50

2.3.1 Balance térmico en el tope de la columna 50

2.3.2 Cálculo del Area de Transferencia de Calor en Condensador 53

2.3.3 Cálculo del Número de Placas a Utilizar 57

2.3.4 Determinación del área de la superficie de calefacción de la placa 58 2.3.5 Determinación del Area de transferencia de calor 59

CAPITULO 111: MATERIALES Y PROCEDIMIENTOS 60

3.1 MATERIALES 60

3.1.1 Materias Prima 60

3.1.2 Materiales de laboratorio 60

3.1.3 Equipos 61

3.1.4 Instrumentos: 61

3.2 PROCEDIMIENTO DE LA CORRIDA EXPERIMENTAL ETANOL-AGUA 62

3.2.1 Procedimiento previo 62

3.2.2 Procedimiento de operación 62

3.3 CALDERO DEL LABORATORIO DE OPERACIONES Y PROCESOS 63 UNITARIOS

3.4 DESTILADO: 64

3.5 MEDICION DEL INDICE DE REFRACCION 65

3.5.1 Curva de calibración 65

CAPITULO IV: RESULTADOS Y DISCUSION 68

4.1. REDISENO DE LA COLUMNA 68

4.1.1 Especificaciones de las corrientes de alimentación, de residuo y 68 destilado

4.1.2 Balance de Materia alrededor de la Columna 70

4.1.3 Cálculo de la Pendiente de la línea de alimentación 70 4.1.4 Cálculo de la Relación de Reflujo Mínimo en la Columna Rm 73 4.1.5 Cálculo de la Relación de Reflujo Externo para la Columna R 74 4.1.6 Cálculo de la Ordenada en el Origen a la Relación de Reflujo 74 Externo para la Línea de Operación de la Zona de Rectificación bR

4.1.7 Cálculo del Número de Etapas de Equilibrio Teorice 74 4.1.8 Cálculo del Número de Etapas de Equilibrio Real N₁₁ 74

4.1.9 Cálculo de Flujo de Vapor en la Columna 74

4.1.10 Cálculo del Diámetro de la Columna De 77

4.2 CURVA DE CALIBRACION DEL REFRACTOMETRO 82

4.3 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE TEMPERA TU RAS EN LA 84 COLUMNA

4.4 RESULTADOS EXPERIMENTALES DE COMPOSICION MOLAR EN LA 85 CORRIENTE LIQUIDA EN LA COLUMNA

4.5 MEDICIONES DE TEMPERATURA EN ENTRADA Y SALIDA DE VAPOR 86 VIVO EN EL REHERVIDOR DE PLACAS IMPLEMENTADA

4.6 MEDICIONES DE TEMPERATURA EN ENTRADA Y SALIDA DE MEZCLA 87 ETANOL-AGUA AL REHERVIDOR DE PLACAS

4.7 MEDICIONES DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DEL AGUA DE 88 REFRIGERACION EN EL CONDENSADOR DE PLACAS IMPLEMENTADA

4.8 MEDICIONES DE TEMPERATURA DE ENTRADA Y SALIDA DE LA 89 MEZCLA VAPOR AGUA-ETANOL EN EL CONDENSADOR DE PLACAS IMPLEMENTADA

4.9 DISENO DE LAS PLACAS DEL INTERCAMBIADOR 90

CONCLUSIONES 92

RECOMENDACIONES 93

REFERENCIAS BIBLOGRAFICAS 94

APENDICE 97

ÍNDICE DE TABLAS

1.1 Relaciones entre q, línea-q, y flujos de la columna 12

3.1 Preparación de la curva de calibración 66

4.1 Resultados de mediciones de los índices de refracción para la calibración del 83 refractómetro

4. 2 Data experimental de temperaturas de la columna 84

4.3 Data experimental de composiciones molares en la corriente liquida en las 85 etapas de equilibrio de la columna

4.4 Data experimental de temperaturas de entrada y salida del vapor vivo en el 86 re hervidor de placas

4. 5 Data experimental de temperaturas de entrada y salida de la mezcla liquida 87 etanol-agua en el re hervidor de placas

4. 6 Data experimental de temperaturas de entrada y salida del agua de 88 refrigeración en el condensador de placas

4. 7 Data experimental de temperaturas de entrada(vapor) y salida(liquida) de la 89 mezcla etanol-agua en el condensador de placas

ÍNDICE DE FIGURAS

1. 1 Partes de la columna 1

1. 2 Casquetes 2

1.3 plato perforado 2

1.4 Cuerpo de la columna de destilación 3

1. 5 Columna de destilación 4

1. 6 Zonas en la columna 5

1. 7 Diagrama de Me Cabe- Thiele 6

1. 8 Zona de rectificación 7

1.9 Línea de operación en la zona de rectificación con su pendiente y ordenada

en el origen 8

1.10 Zona de agotamiento de la columna de destilación 9

1.11 Línea de operación en la zona de agotamiento 10

1. 12 Zona de alimentación 10

1. 13 Línea de alimentación en el Diagrama de Me Cabe-Thiele 12

1.14 Número de etapas de equilibrio teórico 13

1.15 Diagrama para determinar la constante de velocidad de inundación para calcular el diámetro de la columna de destilación. A) Plato de orificio, 8) plato de

capuchas. 14

1. 16 Tipos de intercambiadores de calor 15

1. 17 Partes del intercambiador de placas 17

1. 18 Principio de flujo de un intercambiador de calor de placa 18

1.19 Empaque dellntercambiadorde Placas 19

1. 20 Diseño de placas de alto y bajo NTU 23

1.21 Placas dobles para prevención de mezclas de fluido 23 1. 22 lntercambiador de placas para rehervidor y condensador 24 1.23 Perfiles de temperatura en un intercambiador de calor de doble tubo con

flujos opuestos 27

1. 24 Efectividad para un intercambiador de calor con flujos en paralelo. 30 1. 25 Efectividad para un intercambiador de calor con flujos opuestos. 31 1. 26 Efectividad para un intercambiador de calor de flujos transversales con un

flujo mezclado y el otro sin mezclar. 32

. 1. 27 Efectividad para un intercambiador de calor de flujos transversales con

fluidos sin mezclar. 32

1.28 Efectividad para un intercambiador de calor de coraza y tubo. 33

1. 29 Efectividad para un intercambiador de calor de coraza y tubos. 33 1.30 é versus NTU para flujo cocorriente en intercambiadores de placas. 37 1.31 é versus NTU para flujo contracorriente en intercambiadores de placas. 38

1.32 é versus NTU para los arreglos indicados. 39

1.33 e versus NTU para los arreglos indicados. 39

2. 1 Determinación de la relación de reflujo externo en el diagrama de equilibrio

para la mezcla etanol-agua a 520 mm Hg 41

2. 2 Perfil de temperaturas para el fluido caliente y frío en contracorriente 46 2. 3 Corrientes de liquido y vapor alrededor del plato de alimentación 47

2.4 Determinación del NTUREHERVIDOR· 49

2.5 Determinación del NTUcoNDENsAoOR· 56

57 .2.6 Condensador de placas del Laboratorio de Operaciones y Procesos

Unitarios

2. 7 placa del intercambiador de placas 58

3.1.Materiales de laboratorio. 61

3. 2 instrumentos 62

3. 3 Caldero Pirotubular 63

3. 4 Control de Presión de entrega de vapor vivo por el caldero 64

3.5 Destilado de la columna de destilación 65

3. 6 Refractómetro CARL ZEISS- JENA 65

3. 6 Concentración de etanol 67

4. 1 Especificaciones de las corrientes en la columna a rediseñar 68 4.2 Determinación de la ordenada en el origen a la condición mínima para

calcular la relación de reflujo mínimo de la columna 73

4.3 Determinación gráfica del coeficiente

e

78

4.4 Curva de calibración de las proporciones de etanol-agua a 20 uc 83

4. 5 Placas dellntercambiador 90

4. 6 Toma de muestras de la fase liquida. 91

ÍNDICE DE APÉNDICE

APÉNDICE A

PROPIEDADES DEL ETANOL Y EL AGUA Tabla A.1 Propiedades físicas del etanol a 1 atm Tabla A.2 Propiedades físicas del agua a 1 atm.

APÉNDICE B

98 98

Tabla 8.1 Comparación de parámetros de un intercambiador de placas vs. De caso y tubos 99

APÉNDICE C

C.1 Datos de equilibrio para la construcción de diagrama C.2 y C.3 a 10.06 psi C.2 Diagrama de equilibrio para la mezcla etanol-agua a 520 mmHg

C.3 Diagrama del punto de ebullición para la mezcla etanol-agua a 520 mmHg

APÉNDICE O

FOTOGRAFIAS DE LA COLUMNA

100 101 101

D.1 Columna sin rehervidor y condensador ... 1 02 D.2 Vista superior de la columna ... 1 03

D.3 Vista lateral de la torre de destilación ... 104

D.4 Casquete de fondo de la torre de destilación ... 1 05 D.5 lntercambiador de placas vista frontal ... 1 o~ D.6 Vista lateral del rehervidor ... 1 07 D.7 Placas del condensador antes de su construcción ... 108

D.8 Vista superior de la columna de destilación ... 1 09 D.9 Tanque de acumulación de destilado ... 11 O D.10 Soporte de la columna de destilación ... 111

D.11 Casquete de tope de la columna de destilación ... 112

D.12 Manómetro ... 113

D.13 Etapa de alimentación ... 114

O .14 Construcción del plato ... 115

0.15 Presión necesaria para la torre de destilación ... 116

0.16 Puesta en marcha de la columna de destilación ... 117

0.17 Obtención del destilado ... 118

0.18 Columna en operación ... 119

0.19 Foto del recuerdo ... 120

APÉNDICE E

VISTAS COMPLETAS DE LA COLUMNA E-1 Vista lateral de la columna

E-2 Vista completa de la columna sin pared E-3 Vista completa de la columna

121 122 123

NOMENCLATURA

SIMBO LO DENOMINACION UNIDADES

A Area de transferencia de calor en el

intercambiador nr ?

AcoNDESADOR Area de transferencia de calor en el

condensador ^m-?

ANTBAGUA Constante de Antaine 8 para el agua

en unidades P: atm y T: °F Adimensional ANTBETANOL Constante de Antaine 8 para el etanol

en unidades P: atm y T: °F Adimensional ANTCAGUA Constante de Antaine

e

para el agua

en unidades P: atm y T: °F Adimensional ANTCETANOL Constante de Antaine

e

para el etanol

en unidades P: atm y T: °F Adimensional

APLACA Area de la placa ^m2

AJIEHEJIVli)OR Area de transferencia de calor en el

re hervidor ^m2

B Corriente molar del producto de fondo km o!

de la columna h ^--·--

bm Ordenada en el origen a la relación de

reflujo mínimo Adimensional

bA Ordenada en el origen de la línea de

operación de la zona de agotamiento Adimensional bR Ordenada en el origen de la línea de

operación de la zona de rectificación Adimensional

e

Constante de la velocidad de Adimensional

CpMEZCLA Btu

Capacidad calorífica de la mezcla Lb.0 F

CpAGUA Btu

Capacidad calorífica del agua Lb.° F

Cpw Capacidad calorífica del agua de Btu

refrigeración Lb.°F

CpETANOL Btu

Capacidad calorífica del etanol Lb.° F Ce Capacidad calorífica del fluido caliente Btu

Lb.°F

Cr Capacidad calorífica del fluido frío Btu

Lb.°F

crnún Capacidad calorífica máxima Btu

Lb.r5Ji CpL Capacidad calorífica media del líquido Btu

Lb.°F

Cpv Capacidad calorífica media del vapor Btu Lb.° F

cmin Capacidad calorífica mínima Btu

Lb~° F

e*

Relación entre Cmin Y Cmán Adimensional

D Corriente molar del destilado kmol

- -

h

De Diámetro de la columna _m

F Flujo molar de la corriente de kmol

alimentación

- -

h

HL!QU!DO Btu

Entalpía de la fase líquida -Lb

HvAP0/1 Btu

Entalpía de la fase vapor - -Lb

I Corriente molar del líquido en la zona kmol de agotamiento de la columna ^{- ·} - - h L Corriente molar del líquido en la zona de _{km o!}

rectificación de la columna ^·~- h

Lp Corriente molar del líquido en kmol

alimentación - -

h

() Lb

mw - -

Flujo de agua de refrigeración h

( ;;s .Cps) kcal

- - MIN Flujo de calor en el vapor vivo mínimo s."K (

~AGUAJIEHI

.CpAGUA.IIEFR) Flujo de calor en agua de refrigeración

- -

^kcal

MAX máxima s."K

(mMJ;~CLA

.CpMEZCLA) kcal

- - MAX Flujo de calor en la mezcla máxima s."K

() Flujo de vapor vivo Lb

ms -

h

() kg

mD Flujo másico del destilado h

mq Pendiente de la línea de alimentación

Adimensional m A Pendiente de la línea de operación de

la zona de agotamiento Adimensional

m¡¡ Pendiente de la línea de operación de Adimensional la zona de rectificación

MD Peso molecular en corriente de - -^kg

destilado ^kmol

MMEDJA.F kg

Peso molecular media en alimentación

- -

^{km o!}

N 1'0TALES.F Moles totales en alimentación km o/

N u Número de etapas de equilibrio real unidades NT Número de etapas de equilibrio teórico unidades N PLACAS.CONDENSADOR Número de _Qiacas en el condensador unidades

N PLACAS.REHERVWOR Número de placas en el

intercambiador unidades

NTU Número de Unidades de Transferencia unidades

NTUcoNDENSADO 11 Número de unidades de transferencia

en el condensador Adimensional

NTU REHERVJDOR Número de unidades de transferencia

en el rehervidor Adimensional

Ps kg

Presión del vapor vivo cm²

QCONDENSADOR Btu

Flujo de calor en el condensador

--

h

QREHERVJDOR Flujo de calor en el rehervidor _Btu

-h

Q Flujo real de transferencia de calor kcal

- -

s."K

Qp L

-

Flujo volumétrico en la alimentación h

Qmáx Máximo flujo de calor que podría kcal

tra n sfe ri rse ^{-- ----}s°K

q Cociente entre el liquido en

alimentación y el total de alimentación Adimensional

R Relación de reflujo externo Adimensional

Rmfn Relación de reflujo mínimo Adimensional

To Temperatura a C.N.

"K

ti Temperatura de entrada a la placa _"C Te('//' Temperatura de entrada del fluido

caliente

"F

Tr,,, Temperatura de entrada del fluido frío

"F

TJNG Temperatura de ingreso del agua de

refrigeración

"F

Tcl Temperatura de ingreso del fluido

caliente "F

T¡i Temperatura de ingreso del fluido frío

"F

t2 Temperatura de salida de la placa _"C T.s'AL Temperatura de salida del agua de

refrigeración "F

Tc2 Temperatura de salida del fluido

caliente

"F

Th Temperatura de salida del fluido frío

"F

T¡ Temperatura del fluido fria

"K

TpB Temperatura del punto de burbuja "K

TPB.TOPE Temperatura del punto de burbuja en

tope

oc

Tp¡¡ Temperatura del punto de rocio "K

TPR."F Temperatura del punto de rocio en

grados Fahrenheit "F

TPR"R Temperatura del punto de recio en

grados Rankine "R

TPR.TOPE Temperatura del punto de rocio en

tope "C

r.,

Temperatura del vapor vivo "C

Tm Temperatura media de la columna "K

r~; Temperatura media de la parte inferior

de la columna OK

Tm Temperatura media de la parte

superior de la columna "K

Tm.CONDENSADO 1/ Temperatura media en el condensador

oc

u

Coeficiente global de transferencia de kcal

calor ^{- - · )}

m-.s

U CONDENSADOR Coeficiente global de transferencia de _{- -}^kcal calor para el condensador m .s ²

Ul/BHERVlDOJI Coeficiente global de transferencia de - -^kcal calor para el rehervidor ^{m .s 2}

VF Corriente molar del vapor en km o!

alimentación ^{- -}h

- Corriente molar del vapor en la zona km o!

V de agotamiento de la columna ^{- -}_h

V Corriente molar del vapor en la zona km o!

de rectificación de la columna

- -

h

Vv Velocidad másica del vapor kg

h

" Composición media del líquido en la

X m

parte inferior de la columna Adimensional

X m Composición media del líquido en la

parte superior de la columna Adimensional

XD Composición molar de la corriente de Adimensional destilado

XB Composición molar de la corriente

residual de la columna Adimensional

y Composición molar del vapor en

cualquier instante Adimensional

" Composición media del vapor en la Y ^m

parte inferior de la columna Adimensional Y m Composición media del vapor en la

parte superior de la columna Adimensional

Nomenclatura en griego

SIMBO LO DENOMINACION UNIDADES

ó.Hv Calor latente de vaporización _Btu

- - - Lbrnol

b.HB.ETANOL Entalpía del etanol en el fondo de la _Btu

columna ^{- -}Lb mol

b.HB.AGUA Entalpía del agua en el fondo de la _~--^Btu

columna Lb mol

b.Hs Calor latente del vapor vivo _Btu

- - - Lb mol ce Efectividad del intercambiador en

función del fluido caliente Adimensional el Efectividad del intercambiador en

función del fluido frío Adimensional

PL Densidad media del líquido en la _kg

columna -3

m

Pv Densidad media del vapor en la kg

columna ^{- 3} m

r¡ Eficiencia global de la columna Adimensional

ú) Velocidad de inundación m

- S

INTRODUCCIÓN

En la mayoría de las plantas de procesos se presenta la necesidad de transferir energía entre fluidos o de fluidos a sólidos, tanto para calentar, enfriar, evaporar como para efectuar tratamientos térmicos, etc. Esta operación cumple muchas veces un papel fundamental en el procedimiento de elaboración ya que de ella puede depender la calidad de un producto o la eficiencia del proceso mismo en cuestión, en donde las temperaturas son parámetros críticos

En muchas situaciones estas operaciones de transferencia de calor deben efectuarse en tiempos muy cortos, a altas velocidades de transmisión, dado que algunos de los productos pueden alterarse.

La separación de los componentes de las mezclas en la destilación se basa en los diferentes puntos de ebullición que tienen cada componente de la mezcla así como también las volatilidades relativas de cada componente, ya que por medio de la temperatura de operación que se acondicione al equipo, algunos componentes se volatilizaran primero los que alcancen su temperatura de ebullición quedando aun los que no la alcanzaron hasta ese instante. Así se logran separar dos componentes o muchos más, dadas las condiciones del sistema, esto quiere decir a cierta temperatura y presión de operación.

La destilación se realiza por medio de las columnas, estos equipos constan de un cuerpo que es el principal soporte de la mezcla y es en donde se colocan los platos perforados, relleno, etc. Y de un rehervidor y condensador.

Diseñar una columna de destilación no es un asunto complicado pero si requiere de información; el diseño del rehervidor y del condensador, partes esenciales de la columna también se torna tediosa mas no compli~ada, realizando cálculos se determina el área de transferencia a de calor.

Los intercambiadores de placas son equipos muy difundidos en la Industria de Procesos cubriendo una amplia gama de aplicaciones. Presentan características especiales tanto en su diseño como en la operación que los hace motivo de un estudio particular

La mayor parte de la literatura sobre los intercambiadores de placas proviene de los fabricantes de equipos (quienes poseen el know-how) y su difusión está generalmente restringida al ámbito industrial, es decir entre sus usuarios, es un esfuerzo pionero del diseño, construcción, instalación y puesta en marcha de este equipo que tien muchas ventajas respecto a otros intercambiadores de calor.

LOS TES/STAS

OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERAL

• Diseñar, construir, instalar y operar un rehervidor y un condensador de placas para la columna de destilación a nivel laboratorio del LOPU-FIQ-UNCP.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Rediseñar la columna de destilación del Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios de la FIQ-UNCP.

• Diseñar, construir e instalar un rehervidor de tipo placas para las condiciones del caldero pirotubular.

• Diseñar, construir e instalar un condensador de tipo placas para las condiciones del caldero pirotubular.

• Operar la columna de destilación de platos perforados empleando la mezcla Etanol-Agua en el Laboratorio de Operaciones y Procesos Unitarios de la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú.

CAPÍTULO 1

ASPECTOS PRELIMINARES.

1.1 DESCRIPCIÓN DE LA TORRE DE DESTILACION

En el Laboratorio de operaciones y procesos unitarios se cuenta con el cuerpo de la columna de destilación de múltiple etapas de equilibrio, previamente diseñada y construida, cuyas partes se muestran en la Figura N° 1.1, de características y dimensiones siguientes:

• Diámetro de la columna de 8,45 cm

• 5 platos perforados

• Separación entre etapas: 1 O cm

• Material de construcción de los platos: Acero Inoxidable Serie 304 Cedula 40

• Material de la torre: vidrio PIREX

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Figura IP 1. f Partes de la columna

1.2 CASQUETES:

Son las piezas que corresponden al tope y al fondo de la columna y están construidas en acero inoxidable, como se observa en la Figura NO 1.2. El casquete del tope tiene una entrada para el reflujo de W pulgada y una salida de 1". El casquete del fondo tiene una entrada y una salida ambas de 1".

Figura N" 1.2 Casquetes.

1.3 PLATO PERFORADO:

La columna cuenta con 4 platos perforados de 10 cm de diámetro, con distribución de orificios que se muestra en la Figura NO 1.3, los platos para el diseño del condensador y rehervidor de la columna fueron rediseñados y construidos nuevamente.

Figura N" 1.3 Plato perforado.

1.4 CUERPO DE LA COLUMNA

El cuerpo de la columna es un tubo de vidrio de 8,45 cm de diámetro interno, con una altura de 10 cm como se ve en la Figura NO 1.4.

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! 1

'1

1

Figura 1.4 Cuerpo de la columna de destilación

1.5 DESTILACION

La destilación separa los componentes de una mezcla liquida basándose en la diferencia de sus puntos de ebullición

Los principales tipos de destilación son:

- Destilación continúa (por fraccionamiento).

- Destilación extractiva.

- Destilación azeotrópica.

- Destilación por lotes ("batch").

- Destilación de equilibrio ("flash").

- Destilación dinámica.

1.6 PROCESO DE DESTILACIÓN CONTINUA

Los procesos de separación alcanzan sus objetivos mediante la creación de dos o más zonas que coexisten y tienen diferencias de temperatura, presión, composición o fase. Cada especie molecular de la mezcla que se va a separar reaccionará de un modo único ante los ambientes presentes en esas zonas. En consecuencia conforme el sistema se desplaza hacia el equilibrio, cada especie establecerá una concentración diferente en cada zona dando como resultado una separación entre las especies.

En una columna de destilación (Figura NO 1.5), las fases de vapor y liquido fluyen en contracorriente dentro de una zona de transferencia de masa. La columna es

equipada con platos o empaques para maximizar el contacto entre las dos fases.

Para mejorar la operación, algo de la corriente del tope es retornada como un reflujo líquido U-o). La razón de reflujo (R) es definida como la razón de Lo a producto del tope D. ⁵

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1

Figura N" 1.5 Columna de Destilación. Fuente: Luís Moneada Albltres

Donde:

R : razón (o relación) de reflujo externo, adimensional L_{0 :} cantidad de liquido retornado como reflujo a la columna, mol

tiempo D : cantidad de producto del tope, mol

tiempo

11

(1.1)

La ventaja de la destilación es su simplicidad, bajo capital de inversión, y bajo riesgo potencial. En efecto, la destilación es el proceso de elección para separar componentes térmicamente estables a sus puntos de ebullición y que tengan una volatilidad relativa de 1,5 o más.²³

En el lado negativo la destilación tiene una baja eficiencia termodinámica. La destilación puede ser no atractiva cuando se presentan azeótropos, o cuando se deba separar bajas concentraciones de componentes con alto punto de ebullición que estén presentes en grandes volúmenes de agua.⁴

En muchas aplicaciones la destilación es más ventajosa que los demás procesos de separación debido a su diagrama de flujo simple y costos de capital bajos. ⁵

1.7 COLUMNA DE DESTILACIÓN:

Es una torre que cuenta con dos zonas que son la de enriquecimiento o rectificación y zona de empobrecimiento o agotamiento, cuenta con un condensador y un rehervidor que son elementos claves para que funcione este; Un esquema general de la columna de destilación se observa en la Figura N° 1.6.¹⁵

Figura N" 1.6 Zonas en la Columna. Fuente: lván Osorio López

1.8 DISEÑO DE COLUMNAS DE DESTILACIÓN PARA MEZCLA BINARIAS

1.8.1 Metodode McCabe-Thiele

Interrelaciona el diagrama de equilibrio, las composiciones molares de las corrientes de entrada y salida de la columna y las líneas de operación en las zonas de rectificación, agotamiento y alimentación. ¹⁶

Para aplicar este método es necesario conocer:

• La fase de la alimentación (el porcentaje de vaporización)

• La naturaleza del condensador, si es parcial o total

• Relación del reflujo a reflujo mfnimo

• La composición del destilado y del fondo

• Se considera que la presión es constante a lo largo de la columna Gracias a este método se pueden determinar

• Número de etapas teóricas N r

• Número m!nimo de etapas necesarias: N min

• Reflujo m!nimo: ~n

• Plato de alimentación óptimo

El procedimiento gráfico para hallar el número de etapas de equilibrio teórico y el plato óptimo de alimentación se muestra en la Figura N° 1. 7 siguiente:

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1

112 •

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Figura N" 1.7 diagrama de MC CABE THIELE. Fuente:

http:llwww.dlquima.upm.es/lnvestigaclonlproyectos/chevlc/catalogo/COLUMNAS/McCabe.htm

Se debe tener en cuenta que si el condensador es parcial, la primera etapa de equilibrio corresponde al condensador y que la última etapa es el rehervidor.

1.8.2 Línea de operación en la zona de rectificación

~---~

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Figura N"1.8 Zona de Rectificación. Fuente: Arturo Melgar Merino

Para trazar la linea de operación de la sección de rectificación se realiza un balance de materia parcial en la parte superior de la columna, considerando las líneas de corriente y composiciones que se exponen en la Figura N° 1. 8

(1.2)

Despejando

(1.3)

Ecuación de la linea de operación de la zona de rectificación

Las suposiciones de Me Cabe-Thiele para generalizar la Hnea de operación de la zona de rectificación, son: ¹³

•

•

•

Los calores de la mezcla son despreciables

Los calores latentes de cada componente son iguales o se diferencian en una cantidad despreciable.

Por cada mol de vapor que se condensa se vaporiza una mol de líquido.

Estas suposiciones conducen a la definición de derrame molar constante que se interpreta como:

Corriente liquida:

4 = ^L¡ = L

₂

= L

₃

= .... = Ln = L

Corriente vapor: V₀

= V¡ =

V₂

= v; ^{= .... = JI;, =}

^V

Por lo tanto en (1.3):

L D y=-x+-xD

V V

Siendo en la ecuación (1.4):

L L

mR = L = D = D =_ji_

V V L+D R+l

D D

bR

=

D xD

=

xn =__!Q_= Xn

V V L+D R+l

D D

Las ecuaciones 1.5 y 1.6 se representan en la Figura N° 1.9

(1.4)

(1.5)

(1.6)

11

Figura N"1.9 Línea de operación en la zona de rectificación con .su pendiente y ordenada en el origen. Fuente: Arturo Melgar Merino

Si se sustituye las ecuaciones (1.5 y 1.6) en la ecuación (1.4) se tiene la ecuación de la línea de operación de la zona de rectificación en función de la relación de reflujo externo.

R 1

y = - - x + - - x R+l R+l D

(1.7)

1.8.3 Unea de operación en la zona de agotamiento.

Para calcular la línea de operación de la sección de agotamiento se procede de igual manera, de modo que a partir de las corrientes y composiciones mostradas en el esquema de la Figura N° 1.10. ¹⁹ se obtiene:

(1.8)

Por derrame molar constante:

Corriente liquida: Lm

=

Lm+₁

= ... =

LN_₁

=

LN

=

I

Corriente vapor: vm

=

vm-1 = ...

=

VN-1 = VN

=V

Figura N" 1.10 Zona de Agotamiento de la columna de destilación. Fuente: Arturo Melgar Merino

Que al reemplazar en la ecuación (1.8), resulta:

L B

Y==X-=XB

V V (1.9}

La ecuación (1.9) expresa la lfnea de operación de. la zona de agotamiento.

Siendo:

mA=V

I ^(1.10)

hA ==XB B

V (1.11)

La línea de operación de la sección de agotamiento, su pendiente y su ordenada en el origen se representan en la Figura N° 1. 11, siguiente:

... r/

n];f •·· ~r

' /rt

Figura N° 1.11 Línea de operación en la zona de agotamiento. Fuente: Arturo Melgar Merino

1.8.4 Lfnea de alimentación o línea "q "

V

n

Plato.de.a lim entación

+

¹

Figura NO 1.12 Zona de alimentación. Fuente: Arturo Melgar

En la Figura N° 1.12 en el cambio de zona V y V son diferentes, sin embargo, en la misma zona son iguales

Por balance de materia teniendo en cuenta las corrientes liquido y vapor alrededor del palto de alimentación, se tiene:

•

En la alimentación : F=Vp +Lp (1.12)

•

En la corriente liquida :L+Lp

=L

^(1.13)

•

En la corriente vapor : V=Vp+V (1.14)

Si aplicamos la definición q que equivale al número de moles totales de líquido saturado que ingresa en la alimentación dividido entre el número de moles totales en la alimentación se tiene:

Lp Lp

q = - = _ __,___

F Lp+Vp (1.15)

De modo que; de las ecuaciones (1.12, 1.13 y 1.14) se obtiene:

L+Lp =L Lp-=L-L F -

F qF=L-L Por otro lado, en la corriente de vapor:

V=VF +V

- F

V-V=F-LFF V-V=F(l-q)

Al restarla ecuación (1.9) de (1.4), se tiene:

y(v- v) =

x(L-L)+ xvf) + xBB

(1.16)

(1.17)

En el que al reemplazar las ecuaciones (1.16), (1.17) y el balance de materia parcial alrededor de la columna F.zF = D.xv + B.xB se obtiene:

qFx Fzp

y-- + .

-

~

(1-q)F

^(1.18)

Ecuación conocida como la ecuación de la lfnea de alimentación.

Siendo:

m =-q-

q q-1 (1.19)

La condición de alimentación se expresa en función del valor de q :

• q == O La alimentación ingresa como vapor saturado y se representa como linea hOrizontal.

• O< q < 1 La alimentación ingresa como una mezcla de líquido-vapor saturado y se representa por una línea recta con inclinación comprendido entre 90°

y 180°.

• q >

1 La alimentación ingresa como lfquido sub enfriado y se representa mediante una línea recta que pasa entre 45° y 90°.

• q < O La alimentación ingresa como vapor sobrecalentado y se representa mediante una lfnea recta con inclinación entre 1800 y 225°.

• q =

1 Se trata de un liquido saturado.

Un resumen de las líneas de alimentación trazadas en función de q, se muestra en la Figura N" 1. 13

1

o

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r:

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~

.;g _~ 0.41

F

_e

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O"' X

...

a:

LO;;.

Fig 1.13 Líneas de alimentación en el diagrama de Me Cabe-Thiele. Fuente: Luís Moneada Albitres

Tabla 1.1 Relaciones entre q , linea- q , y flujos de la columna

Pendien-

Condición de la Como calcular q te de Relaciones entre

alimentación q línes.q LyL' Vy V'

Liq)lido subenfriado _>1' q=l+ Cn(TBP -T1 ) ^{+ve L'>L V'> V} H.,

Liquido saturado

1 q=l ^]( L'>L. V'= V

Mezcla Liquido- q = fracción :molar del L'>L

V8p0f O<q<l liquido alimentado -ve V'<V

Vapor saturado

o

^q=O

o

^{L'=L V'<V}

Vapor -Cpv(1f -Tnp)

sobrecalentado <O q= H ^{+ve L'<L V'<V}

V Fuente: Luís Moneada Albitres

• Determinación del número de etapas de equilibrio teórico (N r )

El procedimiento gráfico de Me Cabe Thiele se observa en la Figura N° 1.14.

Linea en Fig .. 2J5¡

(8)

(b)

_(e) (d) (e)

Fig 1.14 Numero de Etapas de equilibrio teorlco. Fuente: Arturo Melgar Merino

• Cálculo del número de platos reales NR:

N _Nr

R - - T]

• Calculo de la relación de reflujo mínimo:

~=xD_¡

bm

(1.20)

(1.21)

1.9 DIMENSIONAMIENTO APROXIMADO PARA LA COLUMNA DE DESTILACIÓN

1.9.1. Espaciamiento entre platos

La altura total de la columna depende del espaciamiento entre platos.

Normalmente se usan desde 0,15 m hasta 1 m a nivel piloto Depende del diámetro de la columna y de las condiciones de operación.

Para columnas con diámetros mayores a 1 m, el espaciamiento usual es aproximadamente de 0,3 a 0,6

m

²⁸

1.9.2 Diámetro de la columna

El principal factor que determina el diámetro de la columna es la velocidad de flujo de vapor. La velocidad de flujo del vapor debe ser más baja que la que pudiera causar excesivo arrastre de liquido o una alta caída de presión.

El diámetro, De, puede estimarse de:

D - Vv

e- 0,785xm ^(1.22)

Donde=

Vv : velocidad másica de vapor (kgls) De : diámetro de la columna (m)

tV : Velocidad de inundación (m/s)

1.9.3 Velocidad de inundación

La condición de inundación fija el limite superior de la velocidad de vapor para diseño normalmente se usa el valor de velocidad de 80% a 85% de la velocidad de inundación ²⁸. La velocidad de inundación puede calcularse mediante la ecuación de Fair.

Donde

tV : Velocidad de inundación del vapor (m/s)²⁸ PL : densidad del líquido

Pv : densidad del vapor

(1.23)

e :

Constante de la velocidad de inundación que se determina gráficamente de la interrelación de espaciamiento entre platos y el tipo de plato, como el se muestra en la Figura N° 1.15 siguiente:

...;;.

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Figura N" 1.15 Diagrama para determinar la constante de velocidad de inundación para calcular el diámetro de la columna de destilación. A) Plato de orificio, B) plato de capuchas. Fuente: Pavlov.

1.10 INTERCAMBIADORES DE CALOR:

La palabra intercambiador se aplica realmente a todo tipo de equipos en el que el calor se intercambia, pero es más específicamente empleado para designar equipos en que el calor es intercambiado entre dos corrientes de proceso. lntercambiadores de calor de calor en los que una corriente de proceso es calentada o enfriada mediante una corriente de suministro (agua o vapor) suelen llamarse simplemente enfriadores o calentadores_ Si la corriente de proceso se vaporiza como producto de la entrega de calor el equipo

recibe el nombre de vaporizador; se le llama rehervidor si esta relacionado con una torre de destilación y evaporador si se utiliza para la concentración de soluciones

1.10.1 Tipos de intercambiadores de calor:

Los tipos de intercambiadores frecuentemente hallados en la industria son los de tubería doble, enfriados por aire, de tipo placa y, de casco y tubo, los que se observan en la Figura fVO 1. 16.

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Figura N" 1.16 Tipos de lntercambiadores de calor. Fuente: c::'!.~!l~<.c.:r::"i!)ISG/iii­

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1.1 0.1.1 lntercambiadores de placas

Ciertas condiciones lo hacen más atractivo que las unidades tubulares para las mismas aplicaciones. Entre las ventajas que ofrecen los intercambiadores de placas están:

• Mayor área de transferencia por unidad de volumen (ocupan menos espacio).

• Altas flexibilidades en el diseño de las áreas de transferencia y arreglos de flujos.

• Puede operar con más de dos fluidos.

• Alta turbulencia, produciéndose un coeficiente de película elevado y baja incrustación; lo cual lleva consigo una disminución en el área necesaria para la transferencia de calor.

• Bajas caldas de presión.

• Facilidad para extender o rearreglar la unidad para incrementos o modificaciones de las cargas de calor.

• Facilidad de mantenimiento.

• Aproximación de temperaturas.

Los costos de capital y de operación, requerimientos de

·mantenimiento, peso, limitaciones de espacio, aproximación de temperaturas, niveles de temperatura y presión juegan roles críticos para la selección entre un intercambiador de placas y un intercambiador tubular.

Estas son unas de las pocas ventajas que tienen estos equipos razón por la cual se las eligieron.

a) Mantenimiento:

Los intercambiadores de placas ofrecen completa accesibilidad a todas sus partes para cualquier inspección, limpieza y reemplazo, y no requieren espacio extra para mantenimiento. La limpieza con aditivos químicos es comparativamente más fácil porque los canales de las placas debido a su configuración proporcionan un régimen turbulento para el flujo de limpieza.

Por la accesibilidad y facilidad de limpieza, el intercambiador de placas es particularmente satisfactorio para manipular fluidos con tendencia a formar incrustaciones y para servicios que demanden frecuente limpieza. También el área se ajusta con facilidad mediante la adición o eliminación de placas.

Fácil disponibilidad de repuestos, debido a que los componentes de los intercambiadores de placas son generalmente estándares.

Además un intercambiador de placas vacío, pesa mucho menos que un intercambiador de casco y tubo para las mismas cargas y ocupan menos espacio.

b)Temperatura y presión

Las diferencias de temperatura aprovechables para un intercambiador de placas pueden ser tan bajas como 1 °C, haciéndolo ideal para alta recuperación de energía, mientras el límite práctico para un intercambiador de casco y tubo es alrededor de 5 °C.

Los coeficientes de transferencia de calor en un intercambiador de placas son más altos debido a la alta turbulencia del flujo en los canales, lo cual es conseguido con moderadas caldas de presión. Un intercambiador de placas es capaz de recuperar el 90 % del calor mientras que un intercambiador de casco y tubos operando económicamente puede recuperar solamente el 50%.

Las limitaciones de diseño, incluyen una presión máxima de 25 atm y temperaturas de alrededor de 300 °C. La tendencia en el desarrollo de

los intercambiadores de placas ha sido hacia grandes capacidades, altas temperaturas y altas presiones de operación. Estos intercambiadores están ahora disponibles en muchos tamaños de placas teniendo una variedad de modelos. xr

e) Caracterfsticas del intercambiador de placas

Un intercambiador de placas consiste de una armazón y de placas corrugadas o ranuradas de metal. La armazón incluye una placa fija, una placa de presión y partes de conexión y presión. Las placas son presionadas unas a otras sobre una armazón. Las placas extremas no transfieren calor; las partes de un intercambiadror de placas se observa en la Figura

rvo

^{1.17 siguiente.5}

1 Anna215n ija

2 ConexiJres de entrada y salDa 3 Phcas extrema Íllicill 4 Perno

oo

^ajuste

5 Elnpaque1aduras 6 Phca té:nni;as

1 Coremres entre phcas 8 Phca extrema. de p:esi5n

Figura N" 1.17 Panes dellntercambladorde placas. Fuente: Luis Moneada Albltres

d) Disposición de /as placas

En la Figura fVO 1.18 se muestra una serie de placas presionadas unas a otras, de tal manera que las corrugaciones forman estrechos canales para el flujo de los fluidos, lo cual siempre produce

turbulencia aún a velocidades muy bajas. Las corrugaciones también aumentan la rigidez de las delgadas placas, haciéndolas capaces de resistir deformaciones debido a las altas presiones. Un adecuado número de soportes también ayuda a minimizar los riesgos de deformaciones debido a las presiones.

Figura N" 1.18 Principio de flujo de un intercamblador de calor de placa. Fuente: www.alfa·

editores.coml •. .lalta.gif

Usando las empaquetaduras según convenga, se puede arreglar el flujo en contracorriente y los flujos individuales pueden ser divididos en corrientes paralelas, así mismo las empaquetaduras sellan a las placas en sus bordes en todo su alrededor, haciendo el diseno respectivo para dar lugar a las entradas y salidas que pueden ser en el tope o en el fondo. Las empaquetaduras también proveen un doble sello entre las corrientes de los fluidos haciendo imposible la mezcla, también se pueden hacer una gran combinación de canales, de tal manera que el conjunto de placas se puede ajustar para diferentes servicios.

Los fabricantes han desarrollado sus respectivos tipos de placas para optimizar la transferencia de calor y las caídas de presión. El tamaño y espesor de las placas unidas al diseño de la armazón, están relacionados al tipo particular de placas (corrugadas o ranuradas).

Las placas pueden ser construidas de materiales que pueden ser trabajados en frío, sin someterlos a un proceso de soldadura. Los

materiales comunes de intercambiadores de placas son acero inoxidable, titanio, nlquel, monel, incoloy 825, hastelloy C, bronce al fósforo y cobre-niquel. Los materiales que poseen titanio proveen una gran resistencia a la corrosión.

El espesor de las placas varfa entre 0,5 a 3,0 mm. La distancia promedio entre placas (ancho de los canales) está entre 1,5 a 5,0 mm.

Los tamaflos de las placas varfan entre 0,03 a 1,5 m²• Las áreas de transferencia se extienden desde 0,03 hasta 1500 m². Los grandes

intercambiadores de placas manejan flujos de hasta 2500

m

^31h.

e)Díseño del armazón y /as placas

El armazón de un intercambiador de placas consiste de dos placas extremas fuertes, una barra vertical y dos barras horizontales, una en la parte superior y otra en la parte inferior. Las placas térmicas están suspendidas sobre las barras horizontales y presionadas sobre las placas extremas. El conjunto de placas es presionado por medio de un mecanismo de presión, el cual tiene una escala para indicar la presión ejercida, asf se previene una presión baja o mayor. Las placas extremas y el armazón no están en contacto con los fluidos, están hechas de acero al carbono y algunas veces de hierro fundido, ellas deben llevar un recubrimiento protector. Para demandas sanitarias estas deben ser cubiertas con acero inoxidable.¹⁴

f) Selección de empaquetaduras

Cada placa tiene una empaquetadura cuya función es efectuar un sello total y cerrar la trayectoria de flujo de uno de los fluidos en las corrientes de proceso. Las empaquetaduras van en una ranura alrededor del perímetro de las placas y fijas a las mismas.¹³

Flg. 1.19 Empaque del lntercamblador de Placas.

Fuente: Fwww.centropvme.info/mefrupdemexico www.alfa·editores. coml . ..lalfa.qif

,.:

La disposición de las empaquetaduras debe hacerse de tal manera que se tenga un mínimo de estas áreas expuestas a los fluidos como se observa en la Figura NO 1.19. Las empaquetaduras son hechas principalmente de elastómeros como el caucho natural, neopreno, y materiales plásticos como el teflón.

g) Uso de /os intercambiadores de placas

Los fluidos viscosos que pudieran fluir laminarmente en intercambiadores tubulares, estarán probablemente en flujo turbulento en un intercambiador de placas. Cuando un líquido contiene sólidos suspendidos, la diferencia entre el ancho de los canales y el diámetro de las partículas no deberá ser menor de 0,5 mm.

Cuando se especifica una construcción del lado de los tubos de acero inoxidable o para servicios múltiples, el intercambiador de placas compite con el tubular. Si se requiere una construcción en su totalidad de acero inoxidable, el tipo de placas es menos costoso que las unidades tubulares.

Los intercambiadores con área de transferencia mayor de 1500 m² no son usualmente aprovechables.

La presión de operación máxima también limita el uso de los intercambiadores de placas. Aunque es posible diseñar y construir unidades capaces de operar sobre los 25 kglcm², la presión normal de operación es de alrededor 10 kglcm². Los materiales disponibles para la construcción de las empaquetaduras, limitan la temperatura de operación para un intercambiador de placas a alrededor de 300 °C. ⁵

h) Diseño de las placas

El diseño de estos elementos está directamente relacionado con las características de la aplicación buscada, esto es, su configuración dependerá de:

• Tipo y propiedades de los fluidos que intercambian calor (lfquidos, gases, vapores, emulsiones, viscosidad, presencia de partículas o fibras, corrosivos, fouling, etc).¹⁷

• Servicio buscado, calentamiento, enfriamiento, evaporación, condensación, etc.

• Caudales manejados, tiempos de retención y pérdidas de presión permitidas.

El diseño corrugado de las placas crea conductos a través de los cuales circulan los fluidos en capas de muy bajo espesor y con gran turbulencia, lo que origina una alta transferencia de calor. Este escurrimiento turbulento a través de las placas hace también que los depósitos causados por fluidos sucios sean continuamente removidos de la superficie de transferencia durante la operación, lo que se traduce en un mayor coeficiente total de transferencia y en un mayor tiempo de trabajo del equipo sin necesidad de pararlo para limpieza.

La corrugación de las placas provoca turbulencia en un rango de 2100, aún en flujo laminar con números de Reynolds tan bajos como Re: 10 a 500 dado que las corrugaciones rompen la capa estacionaria en la superficie de transferencia de calor, hecho que en un intercambiador de casco y tubos seria imposible.

El flujo turbulento producido por las corrugaciones rompe la pellcula límite adherida a la superficie de transferencia dando altos coeficientes de convección y un bajo nivel de ensuciamiento.

Las velocidades que se utilizan normalmente en los intercambiadores de placas son menores que en los intercambiadores tubulares. Las se utilizan normalmente en los son menores que en los velocidades varian trpicamente entre 0,5 y 0,8 m/s.

La elevada transferencia térmica en estos equipos no está dada solamente por el escurrimiento turbulento sino también por los bajos espesores de pelicula a través de las cuales se transmite el calor. Así, mientras en los intercambiadores de placas la distancia media entre ellas puede variar entre 1,6 a 5,5 mm; en los intercambiadores de casco y tubos esta distancia media podrá variar entre 12,5 y 38 mm (tubos de% a 1 % ").

Dependiendo de la transferencia de calor requerida y de las pérdidas de presión necesarias para lograrla, la geometría de las placas puede variar ampliamente. De esta forma encontraremos placas llamadas Soft que se caracterizan por tener bajos coeficientes de transferencia y pequeñas pérdidas de carga y las placas llamadas Hard que inversamente darán los coeficientes de transmisión más altos con mayores pérdidas por fricción. Estas últimas son de una geometría más complejas pues son más largas y estrechas y tienen corrugaciones más profundas. También tienen una menor separación entre placas. Las placas Soft en cambio, son más cortas y anchas. ¹⁴ Las placas Soft en general tienen un diseño en ángulo agudo (chevrons) que ofrece menor resistencia al flujo de fluidos, en tanto

que las placas Hard presentan corrugaciones en ángulo obtuso que conducen a mayores pérdidas de carga. Combinando diferentes diseños de canales se podrán cubrir diferentes tipos de servicios. Las placas del tipo Hard tienen corrugaciones transversales o diagonales a la dirección del flujo, lo que origina mayor turbulencia y transferencia térmica. Las placas Soft inversamente tienen ondulaciones en la dirección del flujo, lo que provocará menos turbulencia y transferencia de calor. ¹³

Como se expone más adelante, la aptitud o performance de las distintas configuraciones geométricas de las placas para transferir calor quedan expresadas por el llamado Número de Unidades de Transferencia de Calor ( NTU-Number Transfer Units). Así se observa que las placas antes definidas como Soft y Hard podrán ser caracterizadas por su correspondiente NTU .

El número de unidades de transferencia de calor NTU se define como:

(1.24) Donde:

t₁ :Temperatura de entrada de la placa,

oc.

t_{2 :} Temperatura de salida de la placa, °C.

Mm: Diferencia logarítmica media de temperaturas entre una placa y su adyacente, °C.

Una de las ventajas que ofrecen estos equipos es que en virtud de las diferentes geometrías de placas existentes es posible efectuar combinaciones entre ellas para optimizar el proceso térmico.

De esta forma al mezclar placas con distintos ángulos y separaciones se permite satisfacer distintos requerimientos mediante configuraciones de único paso, lo que simplifica las conexiones y el mantenimiento del equipo. Las Figuras N" 1.20 y 1.21, muestran distintas configuraciones de placas indicando aquellas con alto y bajo

NTU.