Embed Size (px)
Citation preview
En los sistemas mecánicos, químicos, nucleares y otros, ocurre que el
calor debe ser transferido de un lugar a otro, o bien, de un fluido a otro. Un
intercambiador de calor es un componente que permite la transferencia de
calor de un fluido (líquido o gas) a otro fluido.
Tipos de
Intercambiadores
Construcción
Operación
Carcaza y Tubo
Plato
Flujo paralelo
Contraflujo
Flujo cruzado
De un solo paso y de
múltiple pasos
Regenerativos y No-
regenerativos
Consiste en un conjunto de tubos
en un contenedor llamado
carcaza.
El flujo de fluido dentro de los tubos se le
denomina comúnmente flujo interno y
aquel que fluye en el interior del
contenedor como fluido de carcaza o
fluido externo.
Consiste de placas en lugar de
tubos para separar a los dos fluidos
caliente y frío. Los líquidos calientes
y fríos se alternan entre cada uno de
las placas y los bafles dirigen el flujo
del líquido entre las placas.
En este caso, los dos fluidos entran
al intercambiador por el mismo
extremo y estos presentan una
diferencia de temperatura
significativa.
Se presenta un contraflujo cuando los dos
fluidos fluyen en la misma dirección pero
en sentido opuesto. Cada uno de los
fluidos entra al intercambiador por
diferentes extremos
Uno de los fluidos fluye de manera
perpendicular al otro fluido, esto es, uno de
los fluidos pasa a través de tubos mientras
que el otro pasa alrededor de dichos tubos
formando un ángulo de 90°.
Pasar los dos fluidos varias veces dentro de un intercambiador de
paso simple:
•Combina las características de dos o más intercambiadores
•Permite mejorar el desempeño de un intercambiador de calor
Sí el fluido sólo intercambia calor en una sola vez:
intercambiador de calor de paso simple.
Invierte el sentido del flujo en los
tubos al utilizar dobleces en forma
de "U"en los extremos, lo que
permite al fluido fluir de regreso e
incrementar el área de
transferencia del intercambiador.
Cuando los fluidos del intercambiador intercambian calor más de una vez
: intercambiador de múltiple pasos
Intercambiador regenerativo: el fluido caliente abandona el sistema
cediendo su calor a un regenerador y posteriormente regresando al
sistema.
En los regeneradores una
corriente caliente de un gas
transfiere su calor a un
compuesto intermedio, que
posteriormente cede este calor
almacenado a una segunda
corriente de un gas frío.
(a) Los sólidos que almacenan el calor
están quietos.
(b) Los sólidos que almacenan el calor
circulan entre las corrientes caliente y
fría.
Intercambiador No regenerativo: el fluido con mayor temperatura en
enfriado por un fluido de un sistema separado y la energía (calor)
removida y no es regresaba al sistema.
El precalentamiento en etapas
incrementa la eficiencia del la
planta y minimiza el choque
térmico de los componentes,
que es el caso de inyectar fluido
a temperatura ambiente en una
caldera u otro dispositivo
operando a alta temperatura.
Intercambiador de calor con agua alimentación
en tubos en "U".
Intercambiador de calor aire-alíquido
Aporta calor a un objeto o a un ambiente
sin contar con llamas o fuego. Esto, debido
a que no posee procesos de combustión
directa, sino que el calor que irradia
proviene del exterior a través de tuberías
que transportan agua caliente, la que ha
tomado su temperatura en una caldera
situada en algún otro lugar.
Todos los sistemas de aire acondicionado contienen por lo
menos dos intercambiadores de calor, generalmente llamados
evaporador y condensador.
En el condensador: el gas refrigerante caliente de alta presión se debe
condensar a en un líquido subenfriado.
En el evaporador: el refrigerante subenfriado fluye en el intercambiador de
calor, y el flujo del calor se invierte, con el refrigerante relativamente frío se
absorbe calor absorbido del aire más caliente que fluye por el exterior de
los tubos.
Es un recinto cerrado en el cual el vapor sale de la turbina y se fuerza para
ceder su calor latente de la vaporización.
Convierte el vapor usado nuevamente en agua para regresarla al generador
o a la caldera de vapor como agua de alimentación.
Aumenta la eficiencia del ciclo permitiendo que el ciclo funcione opere con
los gradientes más grandes posibles de temperatura y presión entre la fuente
de calor y el condensador.
Condensador de paso simple
Mezclas con temperaturas de ebullición próximas o sustancias que no
pueden soportar la temperatura de destilación, aun operando a vacío, con
frecuencia se separan de las impurezas por extracción, que utiliza
diferencias de estructura química en vez de diferencias de volatilidad.
obtención de la penicilina
para recuperar ácido acético de
disoluciones diluidas
Separar los productos del petróleo que
tienen diferente estructura química pero
aproximadamente el mismo intervalo de
ebullición.
Generalmente se elige la destilación, debido a su bajo costo, y por ser mas
sencilla que la extracción la cual requiere una operación combinada que es
mas compleja.
Todo dependerá del análisis para la elección del método a utilizar.
En algunos tipos de extractores, la energía de mezcla y separación se comunica
mecánicamente.
El equipo de extracción puede operar por cargas o de forma continua. Una cierta cantidad
de alimentación puede mezclarse con una cantidad determinada de disolvente en un
tanque agitado y después se dejan decantar las fases y se separan. El extracto es la capa
de disolvente más el soluto extraído y el refinado es la capa de la que se ha separado el
soluto.
Mezcladores-sedimentadores,
torres verticales de diferentes
tipos que operan con flujo por
gravedad, extractores de torre
agitada y extractores
centrífugos.
Para la extracción discontinua el mezclador y el sedimentador pueden ser la misma
unidad. Es muy frecuente el uso de un tanque que contiene un agitador de rodete o
turbina. Al terminar el ciclo de mezcla, se para el agitador y las capas se dejan
decantar por gravedad, retirando después el extracto y refinado que se recogen en
recipientes separados, sacándolos a través de una línea inferior de descarga provista
de una mirilla de vidrio. Los tiempos de mezcla y sedimentación que se requieren
son típicos 5 minutos para mezcla y 10 minutos para decantación.
Estos extractores de torre operan con contacto
diferencial y no por etapas, teniendo lugar la
mezcla y sedimentación de forma simultánea y
continua.
Esta forma de operación puede invertirse,
pulverizando la corriente más pesada en la cima
de la torre para dispersarla en la fase más
ligera; en este caso la fase pesada desciende
como fase dispersa a través de una corriente
continua del líquido más ligero. La elección de la
fase dispersa depende de las velocidad de flujo,
víscosidades, así como de las características de
mojado de ambas fases, que generalmente se
basan en la experiencia.
La redispersión de las gotas de liquido se
puede realizar también por medio de platos
perforados transversales, análogos a los de
destilación. Las perforaciones en una torre de
extracción son de 11/2 a 41/2 mm de diámetro.
El espaciado entre los platos varía desde 6
hasta 24 pulg (150 a 600 mm). Generalmente
el líquido ligero es la fase dispersa y los
conductos de descenso permiten el paso de la
fase continua de un plato. a otro.
Estas torres de extracción contienen una serie
de placas deflectoras horizontales. El líquido
pesado fluye por encima de cada placa y cae a
la inferior; el líquido ligero fluye por debajo de
cada placa y se proyecta hacia arriba desde el
borde a través de la fase pesada. Los
dispositivos más frecuentes son los de discos y
anillos así como los de placas segmentadas,
que van de un lado a otro.
En ambos tipos el espaciado entre las placas es
de 4 a 6 pulg (100 a 150 mm).
En algunos extractores de torre se
comunica energía mecánica por
medio de turbinas interiores u otros
agitadores, instalados sobre un eje
central rotatorio. En el contactor de
discos rotatorios que se muestra
en la Figura 19.94 discos planos
dispersan el líquido y lo impelen
hacia la pared de la torre, donde
anillos estáticos crean zonas de
reposo en las que se separan las
fases.
En una torre de relleno la pulsación dispersa los
líquidos y suprime la canalización, de forma que
mejora considerablemente el contacto entre las fases.
En las torres de platos perforados, las perforaciones
son más pequeñas que en las torres no pulsadas,
oscilando entre 1,5 y 3 mm de diámetro, con un área
abierta total en cada plato de 6 a 23 por 100 de la
sección transversal de la torre. Estas torres se utilizan
casi siempre para tratar líquidos radiactivos altamente
corrosivos. No utilizan conductos de descenso.
La dispersión y separación de la fase se puede
acelerar grandemente por medio de la fuerza
centrífuga y es utilizada por varios extractores
comerciales. El extractor Podbielniak contiene
una cinta perforada situada en el interior de una
pesada carcasa metálica, que va arrollada en
espiral alrededor de un eje hueco horizontal, a
través del cual entran y salen los líquidos.
Puesto que la mayor parte de los métodos de extracción continua usan contactos en
contracorriente entre dos fases, una formada por un líquido más ligero y otra por un
líquido más pesado, muchos de los fundamentos de la absorción de gases en
contracorriente y de la rectificación se pueden aplicar a la extracción líquido-liquido.
Así, cuestiones tales como etapas ideales, eficacia de las etapas, relación mínima
entre las dos corrientes y tamaño del equipo tienen la misma importancia en extracción
que en destilación.
La separación que se alcanza con un
determinado número de etapas ideales en una
cascada en contracorriente puede determinarse
utilizando un diagrama triangular y técnicas
gráficas especiales, pero una modificación del
método de McCabe-Thiele, que es la que se
utiliza aquí, resulta sencilla y conduce a
resultados satisfactorios en la mayoría de los
casos.
Para aplicar el método de McCabe-Thiele a
extracción, los datos de equilibrio se
representan en un gráfico rectangular, donde la
fracción de masa de soluto en el extracto, o fase
V, se representa como ordenada, y la fracción
de masa de soluto en la fase de refinado se
representa como abscisa. Para un sistema de
tipo 1, la línea de equilibrio termina para
composiciones iguales en el punto crítico.
Lo mismo que en destilación en la
extracción en contracorriente se puede
utilizar reflujo para mejorar la separación
de los componentes de la alimentación.
Este método resulta especialmente eficaz
para el tratamiento de sistemas tipo II,
debido a que con una cascada alimentada
por el centro y el uso de reflujo los dos
componentes de la alimentación se
pueden separar en productos
prácticamente puros.
El método requiere que se separe
suficiente disolvente del extracto que sale
de la cascada para formar un refinado,
parte del cual se retorna a la cascada
como reflujo, retirando el resto como
producto de la planta.
Al igual que en destilación, existen dos casos límite en la operación de un extractor en
contracorriente con reflujo., Cuando la relación de reflujo RD, se hace muy grande, el
número de etapas tiende hacia un valor mínimo y cuando RD, disminuye se alcanza un
valor mínimo de la relación de reflujo para el cual el número de etapas se hace infinito. El
número mínimo de
etapas y la relación de reflujo mínima se obtienen exactamente por los mismos métodos
utilizados para determinar sus valores en destilación.
Proceso Sulfolane
La alimentación de
hidrocarburos se
introduce cerca de la
parte central del
extractor y el disolvente
pesado se introduce
como alimentación por
la parte superior.
• Mc Cabe, Warren L. Smith, Julián C. y Harriot, Peter. (2002)
Operaciones Unitarias en la Ingeniería Química. Sexta Edición,
McGraw-Hill Interamericana Editores.
• Jaramillo, A. (2007). Intercambiadores de calor, Consultado el 9 de
Agosto de 2012. Url:
http://www.cie.unam.mx/~ojs/pub/HeatExchanger/Intercambiadores.pdf
