De todos los tipos de rehervidor, los termosifones verticales son ampliamente utilizados en la industria química. Están caracterizados por una alta tasa de transferencia de calor y una baja tendencia de ensuciamiento. Cuando se diseña y se hace funcionar correctamente, los líquidos tienen tiempos de residencia cortos en este tipo de rehervidor, lo que minimiza el riesgo de degradación térmica. Éste es el tipo de rehervidor muy confiable, tiene costos de operación mucho más bajos que otros, es fácil de configurar y tiene dimensiones compactas [1]. Además se pueden usar en una amplia gama de presiones y temperaturas de operación. Por lo tanto, se utilizan alrededor del 70% de todos los procesos de evaporación en la industria química [2].
CONFIGURACIÓN DEL REHERVIDOR TERMOSIFÓN VERTICAL En la figura 1, se muestran varias configuraciones para par a una columna de destilación. La Figura 1(A) representa la configuración estándar, en donde el mismo está conectado a la columna por una línea de alimentación líquida. Por lo general, se instala una válvula en el tubo de entrada para controlar el caudal de líquido. A su vez el líquido entra al intercambiador de calor en la parte inferior y se calienta, evaporándose parcialmente par cialmente dentro de las tuberías. Una mezcla vapor-líquido sale del hervidor a través de la línea de salida. El líquido recirculado es impulsado por la diferencia de presión estática entre el líquido en la línea de entrada y el fluido parcialmente evaporado en el hervidor. Para la mayoría de los servicios no es requerida r equerida una bomba. Por lo tanto el diseño de éstos tiene que tener un especial cuidado para una baja caída de presión. En general, solo 5 (líquidos inorgánicos) a 20 2 0 (líquidos orgánicos) del porcentaje porcen taje en peso del líquido se evapora. Por lo tanto, el líquido circula varias veces antes de la evaporación completa. Esto asegura pequeñas incrustaciones, altas velocidades de flujo y a su vez, altas tasas de transferencia de calor.
La instalación de una bomba en la línea de entrada conduce a la fuerza de circulación mostrado en la figura 1(B). Esta configuración puede lograr mayores tasas de transferencia de calor a través de mayores tasas de circulación de líquido, especialmente a operaciones de alto vacío o diferencial de temperatura pequeño entre el medio de calentamiento y el líquido en el calderín Para servicios de alto vacío, cuando la presión cae dentro del hervidor o la viscosidad del fluido es muy alto, este tipo de rehervidor debe ser preferido [3]. El diseño especial para la parte inferior de la columna en la figura 1(C) garantiza una alimentación de nivel de líquido fijo al hervidor incluso si el caudal de la columna varía. Un calderín donde se calienta el líquido de la columna solo una vez se llama termosifón vertical de una sola pasada, ver la figura 1(D). Un corto tiempo de residencia del líquido en el hervidor puede lograrse con este diseño. Sin embargo, solo una pequeña fracción del líquido se evapora. Un diseño muy sofisticado que tiene las ventajas de un hervidor de circulación forzada sin las desventajas de una bomba (riesgo de descomposición o fuga) se muestra en la
figura
1(E). Este termosifón vertical naturalmente forzado de una sola pasada, el rehervidor se instalará en las columnas de destilación cuando una sustancia de bajo punto de ebullición debe separarse de una mezcla de alto punto de ebullición.
Figura 1. Configuraciones del Termosifón vertical. (A) Simple (B) de circulación forzada, (C) líquido mixto, (D) una pasada, (E) una pasada naturalmente forzado.
FUNDAMENTOS En un rehervidor de termosifón, existe una compleja interacción mutua entre el flujo de dos fases y el calor a transferir. La transferencia de calor depende entre otros detalles de la presión, el equilibrio vapor-líquido, los caudales y las propiedades del sistema, mientras que el flujo de dos fases está influenciado principalmente por la tasa de transferencia de calor y
la caída de presión. La influencia específica de todos estos parámetros sobre el rendimiento será discutido en detalle. Para entender la respuesta del rehervidor a una variación de los parámetros relevantes, es útil dividir el hervidor en dos zonas: una zona de calentamiento donde el líquido se calienta hasta su punto de ebullición y, por encima de eso, una zona de evaporización donde el líquido se evapora parcialmente. Los principales mecanismos se muestran en la figura 2(A). El coeficiente de transferencia de calor es mucho más alto en la zona de evaporización que en la de calefacción. Por lo tanto, cambios en la longitud de estas dos zonas tendrá una gran influencia en la tasa de transferencia de calor total.
La Figura 2(B) ilustra el perfil de temperatura principal versus la longitud del tubo. El líquido que entra por los tubos tiene aproximadamente la misma temperatura que el líquido en la parte inferior de la columna. Debido a la cabeza del líquido en la línea de entrada vertical, el fluido se subenfria significativamente en la entrada del hervidor. Dentro de la zona de calentamiento la temperatura se eleva al punto de ebullición que depende significativamente de la cabeza de líquido local. La ebullición comienza cuando el líquido ha alcanzado la temperatura de ebullición local. Aquí, la zona de calentamiento finaliza y comienza la zona de evaporación. Dentro de la zona de evaporación, el estado del líquido sigue aproximadamente la curva de presión de vapor. A presión atmosférica, la duración de la calefacción de la zona es típicamente 20-50% de la longitud total del tubo. Aumenta significativamente con la disminución de la presión. A servicios de alto vacío a lo largo de la zona de calentamiento se aproxima al 90% o incluso más de la longitud del tubo. Ya que solo la zona de evaporación impulsa la circulación del líquido, la tasa de circulación disminuye drásticamente con la disminución de la presión.
Figura Nº2. (A) Esquema de un rehervidor Termosifón vertical. (B) Características del perfil de temperaturas.
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CARACTERÍSTICAS OPERATIVAS La siguiente descripción de las características operacionales se basan en un amplio estudio experimental de un evaporador de tubo simple [4]. En este estudio, los parámetros
operacionales y de diseño han variado en el rango de relevancia técnica. Además, un nuevo modelo ha sido desarrollado para la simulación de las características operacionales de los calderines termosifónicos [4]. El modelo considera solo dos zonas de transferencia de calor, una de calentamiento y, por encima de eso, una zona de evaporación. Los coeficientes de transferencia de calor y las tasas de flujo másico son modelados justo en el medio de cada zona [5, 6]. Este modelo muy simple describe las características del funcionamiento con suficiente exactitud. 4.1.
Influencia de la diferencia de temperatura de conducción
La figura 3 muestra la influencia (ver figura 2 (B)) en el conjunto específico del flujo de calor.
A
bajas
temperaturas,
las
diferencias
específicas
del flujo de calor general aumentan abruptamente al aumentar la diferencia de temperatura. Como se evapora más líquido, la velocidad del fluido y, a su vez, los coeficientes de transferencia de calor se elevan y se reduce la longitud de la zona de calentamiento. Como la longitud de la zona de evaporización con mayor transferencia de calor aumenta, el flujo de calor general aumenta significativamente. A mayores diferencias de temperatura de conducción, el aumento de la tasa de transferencia de calor se ralentiza un poco. La circulación de líquido a través de los tubos alcanza su máximo, en una diferencia de temperatura de aproximadamente 20-30 K y disminuye a partir de entonces, en función del diámetro y la longitud de la tubería. Además, el crecimiento en la longitud de la zona de vaporización se vuelve más pequeño. Una dependencia del flujo de calor global en el funcionamiento se observa con la presión del rehervidor de termosifón. El flujo de calor aumenta con la presión del sistema. Además de la influencia de la presión sobre las propiedades del sistema, este efecto depende principalmente del subenfriamiento más pequeño del líquido a altas presiones.
Figura N°3. Flujo global especifico de calor vs diferencia de temperatura de conducción. Lineas: simulación con un modelo.
Los datos para la densidad de flujo másico se trazan frente a la diferencia de temperatura de conducción en la figura 4. Las líneas representan la simulación, los puntos los datos experimentales. La densidad del flujo másico en un rehervidor de termosifón se eleva bruscamente a las pequeñas diferencias de temperatura de conducción. Es usual que alcance su máximo a aproximadamente 20 K de diferencia de temperatura y disminuya a partir de entonces. Este comportamiento característico se ha observado en todos los experimentos. A pequeñas diferencias de temperatura de conducción, existe solo una pequeña diferencia de densidad entre el líquido en la línea de alimentación y la mezcla de dos fases en el hervidor. Por lo tanto, la fuerza motriz de la circulación natural es pequeña. Con un aumento de la diferencia de temperatura, se evaporará más líquido y, a su vez, mejorará la circulación del líquido. Sin embargo, la caída de presión aumenta significativamente a mayores tasas de evaporación lo que reduce la tasa de circulación. Con una diferencia de temperatura de conducción de 20-
30 K el aumento en la fuerza motriz para la circulación natural es compensado por la creciente caída de presión. A mayor diferencia de temperatura de conducción la densidad de flujo de masa disminuye, ya que la caída de presión se convierte en el mecanismo dominante. 4.2.
Influencia de la presión de operación
La presión de operación influye fuertemente en el rendimiento de un rehervidor de termosifón. A bajas presiones de operación la influencia del subenfriamiento del líquido en la entrada del rehervidor es de gran importancia. Esto se explica para un rehervidor de termosifón de 4 m longitud de tubería calentada operada con agua. A una presión de 0.1 bar en la parte inferior de la columna, la presión debida a la cabeza del líquido en la línea de alimentación es de 0.5 bar. Por lo tanto, el líquido tiene aproximadamente 35 K subenfriado. Si el mismo rehervidor es operado a 3 bar, la presión en la entrada es 3.4 bar, se refiere a un subenfriamiento de 4 K solamente. Por lo tanto, a bajas presiones un aumento de la presión es decisivo para el subenfriamiento y, a su vez, para la tasa de transferencia de calor. Adversamente en altas presiones, el subenfriamiento del líquido es muy bajo. La zona de calentamiento donde el líquido se calienta al la temperatura de ebullición es mucho más co rta. Además, el aumento del contenido de vapor en la tubería causa una mayor diferencia de densidad y, a su vez, una mayor tasa de circulación. Esta aumenta la longitud de la zona de evaporización. Ya que el coeficiente de transferencia de calor es significativamente mayor en la zona de evaporización que en la zona de calentamiento, más alta las presiones de operación aumentan las tasas de transferencia de calor. La Figura 4 muestra la influencia de la presión de operación en el flujo de calor global específico q˙ (ordenada izquierda) y la densidad de flujo másico w · ρ (ordenada derecha). Los datos se han recogido con tolueno en un rehervidor termosifón vertical con tubos de 50 mm de diámetro y 2 m de longitud. La cabeza del líquido era el 75% de la longitud del tubo y la diferencia de temperatura de conducción fue de 15 K. El flujo de calor y la densidad de flujo de masa aumentaron debido al aumento de la presión de operación debido a los mecanismos descritos anteriormente. Resultados similares han sido publicados por [7-8].
Figura N°4. Influencia de la presión de operación en el flujo global de calor específico. 4.3.
Influencia del diámetro de la tubería
Mientras que la tasa de transferencia de calor general específica disminuye al aumentar el diámetro de la tubería, la transferencia de la tasa calor por tubo aumenta. Al aumentar el diámetro de la tubería, la relación del área de transferencia de calor al volumen de la tubería calentada se vuelve menor. Por lo tanto, la zona de calentamiento es más larga y el flujo de calor menor. En otras palabras, las tuberías más pequeñas son más efectivas en términos de flujo de calor específico que las más grandes. El flujo másico específico, es decir, el flujo de masa relacionado con la sección transversal de la tubería aumenta con el aumento del diámetro de la tubería. Hay dos razones principales para esto: • La fricción causada por el flujo de fluido es más pequeña en tubos más grandes. • La caída de presión causada por la aceleración es menor en tubos más grandes debido a un
menor contenido de vapor.
Ambos mecanismos mejoran la densidad del flujo de masa. Se han observado resultados similares a los representados en la Figura N°5 a varias presiones de operación, fluidos, longitudes de tubería y cabezas líquidas en la línea de entrada.
4.4.
Influencia de la longitud de la tubería
El efecto de la longitud de la tubería en el flujo de calor global específico y la densidad del flujo másico se ilustran en la Figura N°6. Cuanto más largas son las tuberías, más líquido se evapora. Esta conduce a una mayor tasa de flujo de masa. Sin embargo, debido a mayor contenido de vapor se aumenta la caída de presión incluso más. Por lo tanto, la densidad global de flujo de masa disminuye ligeramente en tubos más largos. La longitud de la tubería tiene poca influencia en la proporción de la longitud de la zona de calentamiento y evaporización siempre que las tuberías tengan más de 1 m. Por lo tanto, los flujos de calor globales específicos de tubos de diferente longitud son muy similares. Esto se debe a que la caída de presión en la línea de salida es bastante independiente de la longitud de la tubería y tiene mayor influencia en la caída de presión general en menor tubería. Para tuberías de menos de 1 m los experimentos mostraron una fuerte influencia de la longitud de la tubería en el flujo de masa mientras que casi no hubo influencia en el flujo de calor general específico.
Figura N°6. Influencia de la longitud de la tubería en el flujo de calor global específico y el flujo másico.
VENTAJAS • No es necesario uso de bombas. • La principal ventaja de este rehervidor es el bajo factor de suciedad. • Tiene bajos costos de mantenimiento. • Requiere menos espacio y tuberías. • Tiene altas tasas de transferencia de calor, por lo tanto, se usa menos energía durante el
proceso de destilación. • El intercambiador es barato. • Se requiere un área de parcela baja. • Se puede lograr una alta recirculación, lo que genera un alto coeficiente de transferencia
de calor y una reducción de las incrustaciones.
DESVENTAJAS • No puede usarse donde se necesita una gran superficie. • El rendimiento tiende a ser pobre en condiciones de vacío profundo. • El rendimiento termina siendo pobre cerca de las condiciones críticas, donde el líquido y
el vapor tienen densidades similares, dando así poca fuerza impulsora para la recirculación.
CONCLUSIONES En un rehervidor de termosifón, existe una compleja interacción mutua entre transferencia de calor y las dos fases. Sin embargo, un parámetro decisivo para la característica operativa es la duración de la calefacción y la zona de evaporación, respectivamente. Dado que los valores de los coeficientes de transferencia de calor son mucho más altos en la evaporación que en la zona de calentamiento, la transferencia total de calor del hervidor se rige por la duración de la zona de evaporación. El punto clave para modelar las características de operación es la descripción correcta de la velocidad de circulación del líquido que depende significativamente de la caída de presión y el vapor contenido en el evaporador.
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