Transferencia de Calor en Recipientes de Procesos

TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTES RECIPIENTES DE PROCESOS Ing. Vicente Adum Gilbert SISTEMAS TÉRMICOS I FIMCP-ESPOL (DOCUMENTO EN PROCESO)

DEFINICIÓN RECIPIENTES DE PROCESO •

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Son recipientes o tanques dentro de los cuales se realiza una operación unitaria o proceso industrial. Proceso: transformación transformación física o química del producto. Procesos: mezcla, mezcla, separación, reacción, calentamiento, enfriamiento, etc.

RECIPIENTES DE PROCESO •

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Tanques mezcladores: Mezcla de productos

dentro del tanque. Marmitas: El producto se calienta y/o se mezcla dentro del recipiente («ollas» industriales). Reactores: reacción química dentro del recipiente. Silos térmicos: El producto es mantenido frío o caliente. Autoclaves: El producto de calienta con vapor directo para esterilizarlo o cocinarlo.

TANQUES MEZCLADORES

MARMITAS

AUTOCLAVES

SILOS TÉRMICOS

REACTORES

TRANSFERENCIA DE CALOR EN RECIPIENTES DE PROCESO •

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Los recipientes de proceso industriales normalmente deben ser calentados o enfriados. Esto se logra por medio de CHAQUETAS (jackets) o serpentines. El fluido que circula dentro de la chaqueta se llama fluido de SERVICIO (vapor, agua de torre, agua de chiller, aceite térmico, etc.). El Fluido dentro del recipiente se llama fluido de PROCESO.

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Los procesos en estos tanques normalmente son por lotes (batch). m = constante.

TRANSFERENCIA DE CALOR DEL LADO DEL FLUIDO DE PROCESO (DENTRO DEL TANQUE)

TRANSFERENCIA DE CALOR DEL LADO DE PROCESO (DENTRO DEL TANQUE) •

Correlación de Brooks y Su para recipientes agitados: 0.14

Nu.

=

a ·

Re

0.666

 · Pr 

0.333

 · s

T Nu.

•

=

h

·

k

Propiedades Evaluadas a la temperatura del fluido en el recipiente, excepto ms @ Ts de la pared del recipiente.

TRANSFERENCIA DE CALOR DEL LADO DE PROCESO (DENTRO DEL TANQUE) •

Reynolds se define en base a velocidad periférica del agitador: D Re

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2

·

N ·

=

D: diámetro del agitador N: revoluciones del agiador (rev/s o s-1). T: Diámetro del Tanque. a: parámetro que depende del tipo de agitador y de la superficie de transferencia de calor (chaqueta o serpentín).

TRANSFERENCIA DE CALOR DEL LADO DE PROCESO (DENTRO DEL TANQUE) Tipo de agitador

Superficie

"a"

Turbina

Chaqueta Serpentín Chaqueta Serpentín Chaqueta

0.62 1.50 0.36 0.87 0.46

Chaqueta Serpentín

0.54 0.83

Turbina Paletas Paletas Ancla Hélice Hélice

turbina

paletas

agitador tipo ancla

hélice

TRANSFERENCIA DE CALOR EN CHAQUETAS (LADO DE SERVICIO)

TIPOS DE CHAQUETAS •

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Convencional. Convencional con baffles. Half-pipe (media caña). Dimple Jacket.

CHAQUETAS CONVENCIONALES •

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No contiene baffles en el interior. Requiere espesores muy grandes para el tanque interno (recipiente sometido a presión externa). Coeficiente convectivo chaqueta y DP: usar correlaciones flujo interno ANULAR (aproximado). En la actualidad casi no se usan.

CHAQUETAS CON BAFFLES •

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Tienen baffles en el interior. Los baffles forman canales de flujo y sirven de refuerzo estructural para el tanque interno. Los espesores del tanque interno son menores que para chaqueta convencional.

CHAQUETAS CON BAFFLES •

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Coeficiente convectivo en chaqueta y DP: correlaciones de flujo interno en tubos, usando el D_h (salvo flujo bifásico). Método preciso: el recomendo por McKetta en la referencia (incluye efecto del by-pass de fluido).

CHAQUETAS DE MEDIA CAÑA (HALF PIPE JACKET)

CHAQUETAS DE MEDIA CAÑA (HALF PIPE JACKET) •

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Las chaquetas tipo media caña se utilizan para altas presiones. Tienen buena resistencia mecánica (bajos espesores del tanque interno). Generan coeficientes altos de transferencia de calor. Modelar tranfer de calor y DP como flujo interno en tubo (usar D hidráulico).

DIMPLE JACKET

DIMPLE JACKET (CLOSE UP)

TRANSFERENCIA DE CALOR EN DIMPLE JACKETS

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Coeficiente interno de transferencia de calor: ver método recomendado por McKetta en referencia.

MÉTODO DE DISEÑO DE TANQUES AGITADOS. •

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Método es similar al diseño de Intercambiadores de calor. EL PROBLEMA TRANSCIENTE, por tanto, el análisis termodinámico final es más complicado. El resultado del análisis termodinámico final debe ser la confirmación del tiempo de calentamiento esperado.

PREDISEÑO •

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El cliente normalmente proporciona los siguientes datos: Fluido de proceso, fluido de servicio, Temperaturas inicial y final del producto y masa del producto en batch (lote) y EL TIEMPO ESPERADO DE PROCESAMIENTO. El recipiente es dimensionado en base al tamaño del batch. V_nominal = m/r

ANÁLISIS TERMODINÁMICO PRELIMINAR Q =

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m t

· Cp ·

T

T

=

T f   –

Ti

m: masa del lote o batch (fluido de proceso). t: Tiempo esperado procesamiento. Cp: Calor específico del fluido de proceso. T_i: Temperatura inicial del batch. T_f: Temperatura final del batch. Q_dot: Flujo de calor promedio a retirar.

ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRELIMINAR •

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El objetivo es determinar el área de transferencia de calor (área cubierta por la chaqueta ) que se necesitará para transferir Q_dot. PERO… existe el limitante del tamaño del tanque (que

viene prácticamente fijado por el tamaño del batch). Si este área calculado es mayor que el área disponible en el recipiente, se puede iterar cambiando los parámetros del agitador (tipo, N, D), el tipo de chaqueta, el diámetro del tanque T, etc. Si el tanque es insuficiente, entonces es necesario usar serpentines internos u otras estrategias de calentamiento.

ANÁLISIS DE TRANSFERENCIA DE CALOR PRELIMINAR •

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El problema es que T del fluido de proceso varía con el tiempo!!! (problema transciente). Ver pizarra…

Para el análisis preliminar puede usar los valores de la siguiente tabla.

COEFICIENTES GLOBALES REFERENCIALES (PARA PREDISEÑO)