La aplicación de los principios de Transferencia de calor en los procesos industriales es amplia. Es por ello que el uso de estos se puede encontrar en aplicaciones específicas como en calefacción de locales y acondicionamiento de aire, producción de potencia, refrigeradores domésticos, radiadores de varios tipos de automóviles, recuperación de calor de desecho y algunos procesamientos químicos. Los intercambiadores de calor son los dispositivos que permiten realizar dicha tarea.
Los Intercambiadores de calor son uno de los equipos más comunes encontrados en la mayoría de industrias. Existen varios tipos de intercambiadores de calor y actualmente alrededor de todo el mundo se ofrece en el mercado varios diseños de estos. Estos intercambiadores son importantes porque su diseño ha experimentado un gran desarrollo, existiendo en la actualidad normas que son de apoyo para el cálculo en el diseño de los mismos.
En la práctica industrial es común que el ingeniero industrial se ve enfrentado a la solución de problemas que tienen relación con equipos de intercambio de calor; estos problemas tienen que ver con un desarrollo adecuado, un posible rediseño de algún sistema térmico o la ejecución completa de un nuevo proyecto para ampliación o mejora de la planta.
Entonces, los
proyectos nos permiten resolver problemas identificados, los cuales de
una u otra forma van a mejorar las condiciones de vida del grupo de
estudio, es por ello que se realizado un caso de estudio mediante la busqueda de hojas de especificaciones para luego modelar un sistema, simularlo y llevar a efecto calculos que nos comprobar la veracidad de los valores existentes en la ficha técnica. A continuación se presentan el informe, cálculos realizado en una hoja de Excel y un video explicando lo mencionado.
Muchas sustancias biológicas, así como compuestos inorgánicos y orgánicos, se encuentran como mezclas de diferentes componentes en un sólido. Para separar el soluto deseado o eliminar un soluto indeseable de la fase sólida, ésta se pone en contacto con una fase líquida. Ambas fases entran en contacto íntimo y el soluto o los solutos se difunden desde el sólido a la fase líquida, lo que permite una separación de los componentes originales del sólido. Este proceso se llama lixiviación solido-liquido o simplemente, lixiviación.
La lixiviación o extracción solido-liquido consiste en la remoción o extracción de un componente soluble (soluto) contenido en un sólido mediante un solvente apropiado. Entonces, la lixiviación es una operación de transferencia de masa por lo que es indispensable que exista un contacto íntimo entre el solvente y el soluto contenido en el sólido.
PRINCIPIOS Y FUNDAMENTOS
La lixiviación es un proceso de extracción de una sustancia de un material sólido que se disuelve en un líquido. Este proceso se conoce comúnmente como extracción solido-liquido, particularmente en la industria química. Tres pasos básicos están involucrados en el proceso de lixiviación: contacto, separación y extracción. Un líquido debe entrar en contacto con una matriz sólida que contiene la sustancia que se debe extraer. Después del contacto, el líquido separará esta sustancia deseada de la matriz sólida. La extracción de esta sustancia puede seguir después de que se haya completado la separación. A continuación para mayor entendimiento veremos un ejemplo de lixiviación en la vida cotidiana:
Podemos mencionar otros ejemplos de extracción como:
1. Extracción de componentes deseados:
Extracción de azúcar de la caña o remolacha.
El azúcar se separa de la remolacha con agua caliente.
Fabricación de café y té solubles (instantáneos)
En la preparación de la infusión de café, la sustancia aromática de éste (soluto) se extrae con agua (disolvente) del café molido (material de extracción).
Extracción de aceites de semillas oleaginosas.
Los aceites vegetales se recuperan a partir de semillas (como los de soja y de algodón) mediante la lixiviación con disolventes orgánicos.
2. Extracción de otros componentes, tales como:
Pigmentos
Pectina
Vitaminas
Aceites esenciales
Gomas
Colágeno
3. Extracción de componentes no deseados:
Cafeína
Lactosa
Colesterol
Grasa
Actualmente existe una creciente demanda por alimentos de alto valor añadido, en donde ya sea que se incorporen principios activos, tales como vitaminas, aceites esenciales, agentes antioxidantes, aromas. O bien que se eliminen sustancias del producto, tales como cafeína, lactosa, colesterol, grasa, etc.
Los sistemas de extracción de componentes comprenden tanto las técnicas tradicionales de percolación e inmersión.
Factores a controlar en una lixiviación
Tipo de solvente a utilizar
El solvente empleado debe solubilizar al soluto, por ejemplo:
Agua = azúcar
Alcohol = pectina y gomas
Solventes orgánicos = grasas y aceites
El solvente ideal es el agua (bajo costo, no tóxica, no inflamable, no corrosiva), sin embargo no siempre tiene una capacidad de extracción adecuada. El solvente empleado debe tener el mayor coeficiente de transferencia de masa posible.
La temperatura del proceso
Al aumentar la temperatura del proceso:
Aumenta la solubilidad del soluto en el solvente.
Aumenta el coeficiente de difusión del solvente en las partículas de sólido.
Lo que provoca una mayor velocidad de extracción, sin embargo, temperaturas muy elevadas pueden deteriorar el producto o provocar la evaporación del solvente. Se debe encontrar la temperatura más adecuada para cada caso en particular.
Tamaño de partícula del sólido.
Cualquiera que sea el método de extracción empleado, generalmente la materia prima (sólido) que contiene al soluto debe acondicionarse para propiciar el contacto con el solvente y facilitar su extracción.
Las partículas pequeñas crean una mayor área interracial entre el sólido y el líquido y una distancia más corta para que el soluto se difunda a través de la partícula y alcance la superficie, pero si el tamaño de partícula es demasiado pequeño, se forman conglomerados que impiden la circulación de solvente entre las partículas y dificultan su separación del solvente provocando que las partículas de sólido puedan ser arrastradas con el solvente.
ESQUEMAS: DIAGRAMAS DE PARTES
Resulta un poco complicado nombrar las distintas partes de un aparato lixiviador por la gran variedad que existen por eso vamos a hacer mención de algunos tipos:
Lixiviador por percolación.
Descripción de las partes:
Carga de sólidos.
Lecho de sólidos.
Unidad de extracción.
Falso fondo.
Bomba.
Entrada de disolventes.
Salida de la disolución.
Salida de residuos extraídos.
Sistema continúo de extractores sólido-líquido por percolación.
Descripción de las partes:
Alimentación de sólidos.
Entrada de solventes.
Cama móvil de sólidos.
Residuo.
Extracto.
Reciclaje de solventes.
Lixiviador por inmersión.
Descripción de las partes:
Alimentación.
Disolvente.
Salida del extracto.
Salida del residuo.
CLASIFICACIÓN
Percolación
Percoladores por Cargas: Se trata de un gran tanque circular o rectangular de fondo falso. Los sólidos que se van a lixiviar se dejan caer al tanque hasta una profundidad uniforme. Se rocían con un disolvente hasta que su contenido de soluto se reduce hasta un mínimo y a continuación se excavan. El flujo en contracorriente del disolvente a través de una serie de tanques es habitual, entrando nuevo disolvente al tanque que contiene el material más agotado. Algunos tanques funcionan a presión, para contener disolventes volátiles o incrementar el índice de percolación. Una serie de tanques a presión que funcionan con flujo de disolvente en contracorriente se denomina batería de difusión.
Extractor tipo Bollman: Este tipo de extractor es muy peculiar, ya que cuando trabajamos con sólidos resulta muy difícil operar de forma continua, sin embargo este tipo de extractor lo permite. Es una unidad elevadora de cestas diseñada para manejar de 2.000 a 20.000 kg/h de sólidos desmenuzables. Los cubetos (cestas) con el fondo perforado se colocan en una banda con movimiento sinfín. Los sólidos secos, alimentados a los cestos que descienden, se rocían con disolvente parcialmente enriquecido. Al elevarse, los cestos, en la otra sección de la unidad, los sólidos se rocían con disolvente puro en contracorriente. Los sólidos agotados se descargan de los cestos, en la parte superior de la unidad, a un transportador de palas; y el disolvente enriquecido se impulsa desde el fondo de la unidad.
Extractor tipo Rotocel: Está formado por compartimentos en forma de sectores anulares, con pisos permeables al líquido que giran alrededor de un eje central. Los compartimentos pasan de forma sucesiva por el punto de alimentación, por un conjunto de rociadores de disolvente, una sección de drenaje y una de descarga (donde el fondo tiene una abertura para descargar los sólidos extraídos). La zona de descarga es contigua al sector o zona de alimentación. La extracción en contracorriente se logra con la alimentación de disolvente fresco, únicamente en el último compartimento anterior a la descarga, y lavando los sólidos en cada compartimento con el efluente recirculado que procede del compartimento siguiente.
Extractor tipo Kenedy: En este equipo, el disolvente fluye por gravedad de cámara a cámara, en contracorriente con el movimiento de los sólidos. Está compuesto por una serie lineal de cámaras horizontales a través de las cuales se desplazan, en sucesión, los sólidos a lixiviar por medio de un impulsor, de velocidad lenta. Existe la posibilidad de efectuar drenajes entre las etapas cuando el impulsor provoca la elevación de los sólidos por encima del nivel de líquido antes de vaciarlos en la siguiente cámara.
Dispersión
Tanques Pachuca: Los minerales de oro, uranio y otros metales se lixivian con frecuencia por cargas en grandes recipientes agitados, mediante aire, que se conocen como tanques Pachuca. Un tanque típico es un cilindro vertical con la sección de fondo cónica. Antes de descargar el aire en la superficie del líquido, el aire en el interior provoca una importante circulación, con un sustancial flujo de la mezcla que, posteriormente, desciende por la parte interior del recipiente.
Tanques agitadores por carga: Estos tanques son agitados mediante impulsores coaxiales (turbinas, paletas o hélices) que se utilizan habitualmente para la disolución por cargas de sólidos en líquidos. La principal función del agitador es proporcionar disolvente no agotado a las partículas de material durante el período que se encuentran en el tanque y circular suavemente los sólidos a través del fondo del tanque o suspenderlos simplemente por encima del fondo. Después de producida la lixiviación se pueden separar los sólidos mediante el asentamiento y la decantación, o con filtros externos, centrífugas o espesadores.
Extractor tipo Bonotto: Consiste en una columna dividida en compartimentos cilíndricos mediante la disposición de platos horizontales espaciados a distancias iguales. Cada plato tiene una abertura radial (rendija) colocada a 180° con respecto a las aberturas de los platos situados inmediatamente por encima y por debajo y que se limpian mediante un raspador radial giratorio. Alternativamente, los platos pueden montarse sobre un eje coaxial y rotar sobre palas estacionarias. Los sólidos caen como una cortina en el disolvente que fluye hacia arriba por la torre. Los sólidos son retirados por el fondo del equipo mediante un tornillo sinfín y un compactador.
Extractor tipo Hildebrandt: En este equipo, La superficie helicoidal se perfora, para que el disolvente pueda atravesar la hélice en contracorriente. Los tornillos sinfín están diseñados de modo que permitan la compactación de los sólidos durante su paso por la unidad. Existen ciertas posibilidades de que se produzcan pérdidas de disolvente y un flujo excesivo de alimentación, por lo que el funcionamiento más adecuado está limitado a sólidos ligeros y permeables.
APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
Química
Por medio de la lixiviación se puede llegar a extraer uno o varios solutos de un sólido, usando un disolvente líquido. Las fases entran en contacto el soluto se puede difundir desde el sólido a la fase líquida, produciendo una separación de los componentes originales del sólido. Es muy utilizado en la metalurgia en la extracción de algunos minerales como oro, plata y cobre.
Geología
Se observa en el proceso de lavado de un terreno o capa geológica por el agua. También puede darse por placas ácidas encontradas en las sales que disuelven casi cualquier material sólido.
Agricultura
Se puede ver en los sistemas de riego, cuando se hace con aguas de alto contenido salino, se dosifica más agua para las plantas, con el objetivo de percolar esta agua hacia los drenes, evitando así la acumulación de sales en el terreno, lo que es negativo para las plantas. Cuando es riego de complementación, donde hay precipitación anual razonable, el proceso de lixiviación de los suelos agrícolas sucede en forma natural mientras llueve.
Industria Minera o Metalurgia extractiva
Es un proceso utilizado en la metalurgia, para trabajar los minerales oxidados. Se realiza la lixiviación de minerales sulfurados de cobre por medio de la lixiviación bacteriana.
Lixiviación Hidrometalurgia
Este proceso está relacionado con la disolución química de las materias primas que se tratan para formar soluciones que contengan metales que han de recuperarse. Este proceso de lixiviación de elementos deseado se realiza de forma selectiva, para poder separarlos del resto de materiales no deseados, los cuales quedan como residuos insolubles.
Biolixiviación
Se da la lixiviación asistida por microorganismos, los cuales funcionan como catalizadores. La Biolixiviación es una técnica que se utiliza para poder recuperar los metales como cobre, plata y oro. Esta última aplicación también es conocida como biohidrometalurgia.
Industria Farmacéutica
En la industria farmacéutica el proceso se utiliza para preparar pociones, para lo cual se toma la droga que por lo general es una planta medicinal y luego se pulveriza mezclándola con el alcohol, se coloca en un lixiviador y se deja macerando el tiempo que sea necesario.
REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA
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Los equipos de transferencia de calor utilizados para licuar vapores
eliminando su calor latente reciben el nombre de condensadores.
El calor latente se retira absorbiéndolo por un líquido más frio
denominado refrigerante. Puesto que evidentemente la temperatura del refrigerante aumenta en un condensador,
la unidad también actúa como un calentador, pero funcionalmente es la
acción más importante de condensación, y el nombre refleja este hecho. Un
condensador es un intercambiador térmico, en cual se pretende que el
fluido que lo recorre cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de
aprovechamiento con otro medio. La condensación se puede producir bien
utilizando aire mediante el uso de un ventilador (aerocondensadores) o con
agua (esta última suele ser en circuito semicerrado con torre de
refrigeración, o en circuito abierto proveniente de un río o del
mar).
En el condensador, la operación es justamente contraía a la del
evaporador. El vapor de refrigerante entra al condensador después de ser
comprimido por el compresor a una alta presión y elevada temperatura,
permitiendo el intercambio de calor con el aire, agua de proceso o con
cualquier fluido. Esto logra el calor que absorbió del evaporador sea
cedido al medio ambiente (o cualquier otro fluido). En el proceso de
condensación, el refrigerante cambia de vapor a líquido saturado o líquido
sub-enfriado, a fin de que se mantenga en fase líquida en su camino de
retorno al evaporador.
Tres puntos importantes que con los que debe cumplir un condensador son
los siguientes:
Poseer suficiente área de intercambio.
Mínima caída de presión.
Materiales que faciliten la transferencia de calor.
Resulta un poco complicado nombrar las distintas partes de un
condensador por la gran variedad que exisiten por eso vamos a hacer
mecion de algunos tipos:
Condensadores enfriados por aire - conveccion forzada.
Los condensadores se dividen en dos clases: En la primera de ellas,
correspondiente a los condensadores sin contacto, por ejemplo en el de
carcasa y tubos, el vapor condensante y el refrigerante están separados
por una superficie tubular de transmisión de calor. La transferencia de
calor se efectúa por convección desde el fluido caliente a la pared o la
superficie de los tubos, a través de la pared de tubos o placa por
conducción, y luego por convección al fluido frío.
En la segunda clase, correspondiente a los condensadores de contacto,
las corrientes de vapor y de refrigerante, que ambas son generalmente
agua, se mezclan físicamente y abandonan el condensador formando una
sola corriente.
Equipos que funcionan sin contacto.
Esta clasificación se puede dividir en dos subgrupos: condensadores
enfriados por aire y condensadores enfriados por agua. A continuación se
explicaran cada uno de ellos y los equipos que utilizan estos medios
para la transferencia de calor.
Enfriados por aire.
Convección natural:
La cantidad de aire que circula por este condensador es muy pobre, por
lo que requiere una superficie de condensación relativamente
grande.
Esto los limita a aplicaciones de tamaño reducido, principalmente en
congeladores y refrigeradores domésticos.
Estos comúnmente son de superficie plana o de tuberías con alambres, y
generalmente están instalados en la parte posterior del gabinete de los
equipos.
Convección forzada:
Estos son generalmente de tubos con alambres o de tubos con aletas.
Utilizan uno o más ventiladores para forzar el aire a pasar por
él.
Son utilizados de dos tipos:
Montados sobre chasis (unidad condensadora (compresor y
condensador)):
Se encuentran en una base común junto al compresor, al recibidor de
líquido y el motor del ventilador, formando lo que se conoce como la
unidad condensadora. Esto lo hace una unidad completamente compacta
ideal para trabajos comerciales pequeños, aunque eso mismo la hace
impracticable para trabajos de mayor envergadura.
Remoto (condensador y ventilador):
Estos son los condensadores montados únicamente con los ventiladores.
para este tipo de instalación se debe tener en cuenta los vientos
dominantes de manera que el condensador quede orientado a favor del
viento y la dirección de éste ayude en la acción de los ventiladores y
no que la retarde.
Enfriados por agua.
Existen dos métodos utilizados:
Sistemas de agua por desperdicio: en estos sistemas la fuente
de agua proviene de ríos, quebradas, lagos, cualquier otro cuerpo de
agua y del sistema de acueducto. Luego de circular el agua por el
condensador, el agua es devuelta al alcantarillado.
Sistemas de agua recirculada: en estos, el agua que abandona
el condensador es llevada mediante bombas y tubos a unas torres de
enfriamiento donde se le reduce la temperatura al agua para volver a
utilizarla.
Tipos de condensadores enfriados por agua
Condensador de doble tubo: Este condensador consiste de dos
tubos, uno dentro del otro. Por el tubo interno circula agua en una
dirección y por el tubo externo circula el refrigerante en dirección
opuesta. Este contra flujo se hace para lograr una mejor
transferencia de calor.
Condensador de cubierta y serpentín: Están construidos de
uno o más serpentines de tubos desnudos o con aletas, encerrados en
una cubierta de acero soldada. El agua de condensación circula por
el interior del serpentín mientras que el refrigerante gaseoso entra
por la parte superior de la cubierta, y al ponerse en contacto con
los serpentines, le cede el calor y se condensa. El refrigerante
líquido cae al fondo de la cubierta que hace de recibidor.
Condensador de cubierta y tubo: Consiste de una cubierta de
acero por la cual corren tubos de cobre rectos. Las tapas de la
cubierta son removibles para poder limpiar los tubos. Por los tubos
circula agua y por la parte superior de la cubierta entra el
refrigerante gaseoso. El refrigerante se pone en contacto con los
tubos y le cede su calor al agua que circula por ellos,
condensándose. Estos condensadores pueden ser desde dos hasta
cientos de toneladas de refrigeración.
Condensadores evaporativos: Este tipo de condensador es una
combinación de condensador y torre de enfriamiento. En él se emplea
tanto aire como agua, la cual el agua sale por la parte superior a
través de unas boquillas de atomización situadas en la parte
superior del condensador.
El agua al salir de las boquillas cae sobre el condensador y le
extrae el calor a los tubo por donde circula el refrigerante condensándolo. Parte de esa agua
se evapora y es removido por grandes cantidades de aire que son
impulsadas por uno o más ventiladoresque
le extraen el calor al vapor de agua el cual se condensa y cae sobre
el depósito para volver a ser
utilizada.
Torre de enfriamiento:
Artefacto utilizado para la preservación del agua utilizada en sistemas
de condensación por agua recirculada, donde el agua que sale del
condensador se le reduce la temperatura para volver a utilizarse. Las
hay de convección natural y de conversión forzada.
Equipos que funcionan con contacto.
Los condensadores de contacto son mucho más pequeños y baratos que los
condensadores de superficie.
En su diseño una parte del agua de enfriamiento se aspersa en la
corriente de vapor cerca de la entrada de este, y el resto se dirige
hacia la garganta de descarga con el fin de completar la
condensación.
Su misión principal es condensar el vapor que proviene del escape de la turbina
de vapor en condiciones próximas a la saturación y evacuar el calor de
condensación (calor latente) el exterior mediante un fluido de intercambio
(aire o agua).
En el caso de una maquina frigorífica, el condensador tiene por objetivo
la disipación del calor absorbido en el evaporador y de la energía del
comprensor.
Diferentes usos en la Industria.
Son diversos los usos que se le pueden acreditar a cada uno de los tipos
de condensadores existentes, algunos de los usos que se conocen sol los
siguientes:
Industria Maritima: son utilizados
como enfriadores de aceite, enfriadores de agua de refrigeracion de los
motores, generadores de agua potable.
Centrales Nucleares: se utilizan en el circuito secundario de
refrigeracion.
Industria Alimentaria: se utilizan en la fabricacion de leche,
mantequilla, queso, postres, miel, yogures, cerveza, helados,
refrescos.
Industria Quimica: se utilizan para controlar temperaturas de
proceso, calentamiento o enfriamiento de productos quimicos en
proceso.
Aplicaciones:
Enfríados por aire - La mayoría de los usos comunes de este
condensador son los refrigeradores domésticos, congeladores verticales y
en aparatos de aire acondicionado residenciales empaquetados. Una gran
característica del condensador refrigerado por aire es que son muy fáciles
de limpiar. Ya que la suciedad puede provocar serios problemas con el
rendimiento condensadores, se recomienda que éstos se mantendrán libres de
suciedad.
Enfriados por agua - Se utiliza comúnmente para piscinas y
condensadores de cañerías para el flujo de agua de la ciudad, estos
condensadores requieren servicio y mantenimiento regular. Dependiendo de la aplicación se puede elegir entre tubo en tubo, cáscara
y de la bobina o de carcasa y tubos condensadores. Todos están hechos
esencialmente para producir el mismo resultado, pero cada uno de una
manera diferente.
Evaporativo – Los condensadores evaporativos se pueden utilizar
dentro o fuera de un edificio y en condiciones típicas, operan a una
temperatura baja de condensación.
CONCLUSIÓN
Básicamente el cometido de un condensador, es lograr el cambio de fase
(gas a líquido) de un fluido, sea un refrigerante como en el caso de
circuitos de refrigeración, solventes/vapores orgánicos en el caso de
recuperación de emisiones de depósitos de combustibles, o la tradicional
condensación de vapor de agua en plantas de generación
termoeléctrica.
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Molina, M. (07 de Octubre de 2016). Intercambiadores de calor.
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https://es.slideshare.net/MaricelinMolina/trabajo-de-intercambiadores-de-calor
