Actividad Complementaria No. 1
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Características y Funcionamiento de un Intercambiador de Calor y un Reactor de Epoxidación Ingeniería Juan F. Cano, María F. Moreno, María F. Rodríguez, Harold A. Useche, Estudiantes Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia.
I. CRONOGRAMA
HAROLD A. USECHE
Tabla 1. Cronograma desarrollo del proyecto.
DESCRIPCIÓN
FECHA
Visita Laboratorio Ingeniería Química
21 de Enero de 2018
Reunión I
22 de Enero de 2018
Reunión II
23 de Enero de 2018
Entrega Proyecto de Campo
24 de Enero de 2018
Búsqueda bibliográfica. Edición documento Tema: Reactor de Epoxidación. Generación diapositivas
III. I NTERCAMBIADOR NTERCAMBIADOR DE CALOR Son dispositivos que permiten realizar transferencia de energía calórica de un fluido a otro. Su funcionamiento se basa en fenómenos físicos como: la convección, que es la transferencia de calor que se genera por el movimiento o circulación de un fluido y la conducción, que se da por la transferencia de calor entre dos fluidos y un medio conductor. Estos se dividen según su construcción y su operación. A. Tipos de intercambiador de Calor
II. FUNCIONES Tabla 2. Descripción de funciones de cada miembro del equipo de trabajo.
INTEGRANTE
JUAN F. CANO
MARÍA F. MORENO
MARÍA F. RODRÍGUEZ
FUNCIÓN Elaboración esquema de proceso reactor de epoxidación. Elaboración esquema de proceso intercambiador intercambiador de calor. Edición documento Búsqueda bibliográfica. bibliográfica. Edición documento Tema: Reactor de Epoxidación. Generación diapositivas. Búsqueda bibliográfica. Edición documento Tema: Intercambiador de Calor. Generación diapositivas.
Se pueden clasificar según su operación, función y geometría: Según su operación: 1) Flujo paralelo
En este tipo de intercambiador, el flujo del fluido interno y externo van en la misma dirección; por lo cual los dos fluidos entran y salen por el mismo extremo. 2) Contraflujo
En este tipo de intercambiador, el flujo del fluido interno y externo son paralelos, pero van en sentido opuesto. Por lo cual entran y salen por extremos distintos. 3) Flujo cruzado
En este tipo de intercambiador, intercambiador, el flujo del fluido interno es perpendicular al externo. Estos son usados en fluidos que presentan cambio de fase fase al realizar el intercambio intercambio de calor.. calor..
Actividad Complementaria No. 1 Según su función: 1) 2) 3) 4) 5)
Calentadores Evaporadores Condensadores Economizadores Enfriadores
2 Del diagrama se puede observar los fluidos de entrada (agua de proceso y corriente de vapor a alta temperatura) y los fluidos de salida (vapor de agua y el vapor a una temperatura menor a la de entrada). Cabe señalar también la presencia de un instrumento de medición para ir observando la temperatura dentro del intercambiador (termocupla)(figura 1).
IV. R EACTOR DE EPOXIDACIÓN Según su geometría:
Es en estos dos tipos de intercambiadores es en los que se hará un mayor énfasis puesto que estos fueron los que se observaron en el Laboratorio de Ingeniería Química: 1) Intercambiador de Calor por Tubos
El intercambiador de tubos consta de una carcasa, unos tubos ubicados al interior de esta, unos espejos y unos cabezales. Cuenta con dos entradas, una para el fluido de los tubos y otra para el fluido de la carcasa, y dos salidas también cada una para un fluido. La transferencia de calor se da de la siguiente manera: Uno de los fluidos circula por dentro de los tubos, que suele ser el que presenta una mayor presión, y el otro se mueve a través del interior de la carcasa, entonces, gracias al “contacto” de ambos
fluidos por medio de las paredes de las tuberías (las cuales evidentemente tienen que estar hechas a partir de materiales conductores), se va transfiriendo la energía en forma de calor y ambos fluidos resultan teniendo una temperatura similar. En consecuencia a lo anterior, el sistema debe estar en constante circulación para que se cumpla con el objetivo de calentar o enfriar, según lo que se desee. Este intercambiador tiene la ventaja de tener un bajo costo de producción. 2) Intercambiador de Calor por Placas
Consta básicamente de una serie de láminas que están unidas entre sí, las cuales están hechas de materiales conductores. En este intercambiador se genera la transferencia de calor por medio de placas que separan el fluido caliente del fluido frío alternándose entre placa y placa cada uno de ellos. Cabe mencionar que también cuenta con dos entradas y dos salidas, ubicadas en la parte superior e inferior, que cumplen con ayudar a la circulación de los fluidos. Según el flujo que se vaya a manejar, los fluidos ingresan en una u otra posición al intercambiador. Ya que este cuenta con un área de mayor contacto la transferencia de calor es más efectiva que en el intercambiador de tubos, debido a esto su tamaño es menor. Sin embargo, no es posible utilizarlo a altas presiones debido a que los sellos entre placas no están en capacidad de soportarlas. B. Diagrama de Proceso
Se tomó como referencia uno de los intercambiadores de calor por tubos del banco de intercambiadores de calor del Laboratorio de Ingeniería Química que tiene una capacidad de 5 L y que en este caso es usado para la transferencia de calor de una corriente de vapor que ingresa por los tubos que a alta temperatura transfiere ese calor por medio de conducción al agua de proceso que va ingresando a la coraza del intercambiador de calor haciendo que este cambie de fase líquida a gaseosa.
Un reactor es un equipo que permite la transformación de materias primas en productos de mayor valor agregado. El reactor de epoxidación convierte aceites insaturados, un agente oxidante como el peróxido de hidrógeno y un ácido orgánico como lo es el ácido acético en aceites epoxidados los cuales tienen un amplio uso en el mercado como plastificantes y estabilizadores. A. Proceso de Epoxidación
El proceso de epoxidación ocurre de la siguiente manera: En principio, la materia prima para generar un epóxido es un aceite insaturado y un agente oxidante como el peróxido de hidrógeno que está mezclado con un ácido orgánico, que suele ser ácido acético, con el fin de formar un ácido peroxiacético, el cual cumplirá la función de romper el doble enlace del aceite para producir el epóxido. El ácido peroxiacético se encuentra inicialmente en un tanque que, posteriormente, va a alimentar por medio de una tubería y una válvula el reactor en donde se encuentra el aceite insaturado. El reactor cuenta con una capacidad de 12 litros, unos medidores de nivel, de temperatura (termocupla) y una chaqueta por donde transitará el vapor de agua que viene desde la caldera y que provee la suficiente temperatura para que la reacción se lleve a cabo dentro del reactor. A medida que se va suministrando el agente oxidante dentro del reactor, la reacción se va generando, es decir que el rompimiento de enlaces del aceite insaturado va ocurriendo. No se colocan desde un principio todos los reactivos en el reactor, puesto que la reacción que se genera se considera peligrosa (muy exotérmica) y, por tanto, se necesita un control de la cantidad del perácido que entra a reaccionar. Cuando se va formando el epóxido dentro del reactor, se va retirando el mismo por la parte inferior del reactor para que este no se degrade por acción del medio oxidante. Este epóxido retirado se dirige hasta un intercambiador de calor de tubos, el cual cumple con la tarea de enfriarlo, en ese momento se hace una recirculación hasta el reactor, y así se va regulando la temperatura dentro del mismo. Como ya se ha mencionado anteriormente, la reacción necesita calor para llevarse a cabo y este calor es suministrado por vapor de agua a través de la chaqueta del reactor. Este vapor de agua puede llegar a condensarse, por lo cual, se retira por la parte inferior del sistema con una ll amada “trampa de vapor”, la cual únicamente permite el paso de líquidos, y esto evita que se pierda el vapor que aún no ha terminado con su tarea de transmitir calor al reactor. De la misma manera en que la reacción necesita calor para darse, también genera calor, es una reacción exotérmica, de ahí que se originen vapores del producto que van a hacer condensados por medio de la acción de un condensador, valga la redundancia, y este condensado se recircula al reactor.
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Figura 1. Diagrama de proceso de un intercambiador de calor.
Al momento de que se finaliza la reacción, se suspende el calentamiento, pero se mantiene la agitación, también se deja enfriar un poco y, cuando la temperatura baje, es momento de descargar el contenido del reactor en un tanque. Como se puede evidenciar, el proceso de epoxidación está en constante circulación, es por ello por lo que se hace uso de tuberías por donde transitan, no solo los reactivos y el producto, sino el agua de proceso y el vapor de agua de la caldera. Estos fluidos tienen que ser caracterizados para así llevar un control óptimo del proceso, para esto se utiliza medidores de presión (manómetros), rotámetros, termocuplas, entre otros. B. Epoxidación
La epoxidación de aceites vegetales se lleva a cabo por medio de un aceite insaturado que reacciona con un ácido peroxicarboxílico para obtener un epóxido; lo cual genera que uno de los los átomos de oxígeno del ácido peroxicarboxílico se transfiera al doble enlace del aceite insaturado. Formación del peroxiácido: +
3 2 2
↔
Ácido Peróxido de acético hidrógeno
3 2
Ácido peracético
Agua
Formación del epóxido: 3 1 = 2 → 1 2 3
Ácido peracético
Doble enlace en el aceite
Aceite epoxidado
Ácido acético
Figura 2. Epoxidación con MCBPA. Fuente: http://www.quimicaorganica.net/alquenos-epoxidacion.html
C. Aplicación
Los aceites epoxidados son de gran importancia a nivel industrial debido a su alto rango de aplicación, pues es usado principalmente en la producción de PVC, ya que permite modificar su flexibilidad, elasticidad y dureza generando estabilidad en el polímero. Además, son usados como lubricantes y detergentes en la producción de recubrimientos cerámicos y son fuente de materia prima para la producción de sustancias químicas como lo son los alcoholes, aminoácidos, compuestos carbonílicos, entre otros. D. Diagrama de proceso
Para el diagrama de proceso del reactor de epoxidación se presenta un primer esquema del proceso completo de epoxidación incluyendo los equipos adyacentes y sus flujos tanto de entrada como de salida (figura 3).
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Figura 3. Diagrama de proceso reactor de epoxidación.
En un Segundo esquema se especificará los flujos de entrada y de salida del reactor en si (figura 4). En este esquema se puede apreciar con mayor detalle los fluidos que se utilizan en el proceso de la epoxidación.
Figura 4. Esquema de flujos de entrada y salida del reactor de epoxidación.
V. BIBLIOGRAFÍA JARAMILLO, O.A. Intercambiadores de Calor. Universidad Nacional Autónoma de México: Centro de investigación en Energía. (2007).
ZULETA, E. MANTILLA, M. AVENDAÑO, I. DIAZ, C. Epoxidación de oleína de palma con ácido peracético formado IN SITU. Biotecnología en el sector agropecuario y agroindustrial. Vol. 11. (2013).
Actividad Complementaria No. 1 Ernesto Zuleta S., Mariel Mantilla M., Indira Avendaño G., Luis carlos Dìaz. (2013, Enero – Junio). Biootecnología en el Sector Agropecuario y Agroindustrial [Online]. Vol. 11 No. 1. (235-244). Jaime Puentes, William Camas. Plastificación interna con bio aceites epoxidados del ácido poliláctico (PLA), para productos básicos procesados por inyección o extrusion. (P 16-20) Iván D. Gil, Javier R. Guevara, José L. García, Alexander Leguizamón R.(2007) “Análisis y simulación de procesos en Ingeniería Química”. (P 211-213).
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