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LICEO DOMINGO MATTE PEREZ
GUIA DE TRABAJO ONLINE_8
MODULO DE OPERACIÓN MECANICA Y TRANSFERENCIA DE
CALOR
CUARTO AÑO MEDIO E
ESPECIALIDAD OPERACIÓN DE PLANTA QUÍMICA
PROFESORES:
Sra. Georgette Villalón / Sra. Gioconda Bustos K.
NOMBRE DE LA UNIDAD: Equipos de operaciones unitarias y reactores químicos
APRENDIZAJE (S) ESPERADOS:
1. Opera equipos de mezcla y reacciones químicas más frecuentes, utilizados en la industria química.
INSTRUCCIONES GENERALES
1. Lea comprensivamente la guía que a continuación se presenta.
2. Cualquier consulta pueda realizarla al correo: [email protected]
Atentamente
Jefatura Técnica
TORRES DE ENFRIAMIENTO
Definición de la Operación Unitaria
Sería prácticamente imposible estudiar el número casi infinito de procesos químicos que se llevan acabo en
la industria diariamente, si no hubiera un punto en común a todos ellos. Afortunadamente, esta conexión
existe. Cualquier proceso que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas que, en
algunos casos son específicas del proceso considerado, pero en otros, son operaciones comunes e iguales
para varios procesos. Generalmente un proceso puede descomponerse en la siguiente secuencia:
1.- Materias Primas
2.- Operaciones físicas de acondicionamiento
3.- Reacciones químicas
4.- Operaciones físicas de separación
5.- Productos
Cada una de estas operaciones es una operación unitaria. Este concepto fue introducido en 1915 por el
profesor Little, del Massachussets Institute of Technology (M.I.T.). La definición dada entonces, fue la
siguiente: "... todo proceso químico conducido en cualquier escala puede descomponerse en una serie
ordenada de lo que pudieran llamarse operaciones unitarias, como pulverización, secado, cristalización,
filtración, evaporación, destilación, etc. El número de estas operaciones básicas no es muy grande, y
generalmente sólo unas cuantas de entre ellas intervienen en un proceso determinado."Con esta
simplificación se ha reducido la complejidad del estudio de los procesos industriales, pues del conjunto de
todos los procesos químicos que pueden imaginarse bastará con estudiar el grupo de las 25 ó 30
operaciones unitarias existentes. Un proceso determinado será, por tanto, la combinación de operaciones
unitarias.
Clasificación de las operaciones unitarias.
Cada operación unitaria tiene como objetivo el modificar las condiciones de una determinada cantidad de
materia en forma más útil a nuestros fines. Este cambio puede hacerse principalmente por tres caminos:
1.- Modificando su masa o composición (separación de fases, mezcla,...)
2.-Modificando el nivel o calidad de la energía que posee (enfriamiento, evaporización, aumento de
presión,..)
3.- Modificando sus condiciones de movimiento (aumentando o disminuyendo su velocidad o su dirección)
La enseñanza ordenada y sistemática es necesaria sobre todo en el ámbito de las operaciones unitarias
involucradas en la transferencia de calor, mismas que requieren equipos que van de simples a sofisticados y
de cálculos de balance de materia y energía que den la oportunidad de optimización de los procesos.
Operaciones, tales como secado, destilación, extracción sólido-líquido, mezclado, reducción de tamaño, son
entre otras, operaciones que al aplicarlas permiten, facilitan y/o mejoran un manejo óptimo posterior de los
materiales en otros procesos o para su distribución.
El acondicionamiento de aire o humidificación es la operación unitaria que tiene como objetivo modificar las
condiciones de humedad y temperatura de una corriente de aire, por interacción con una corriente de agua.
Se transfiere agua y energía calorífica de una a otra corriente.
Acondicionamiento del Aire: Disposición para enfriar agua.
Mediante esta operación, el aire cambia de temperatura (por lo que debemos presuponer que una de las
propiedades extensivas fundamentales de esta operación es la transferencia de energía en forma de calor),
pero también (como el propio nombre de esta operación nos indica) humedecemos o deshumedecemos el
aire, es decir, añadimos o retiramos agua (por lo que tenemos la otra propiedad extensiva fundamental, la
transferencia de materia).
La mayoría de las veces que utilicemos estos conceptos de humidificación o deshumidificación será para
referirnos a aire y agua.
Se podría decir que ocurre un cambio de materia y de energía a la vez, ya que existe pérdida o ganancia de
calor (energía) en el agua, pero también un cambio de materia porque lo que entra es aire, pero lo que sale
es vapor de agua (aire húmedo) o viceversa.
Por ejemplo, en los típicos aparatos que tenemos en casa se produce una deshumidificación, ya que retiran
el vapor de agua del aire y aparte pues también lo cambian de temperatura.
En la Industria, siempre que queramos eliminar fácilmente calor de una corriente de flujo (enfriarla), nos
será más fácil utilizar está operación de humidificación (si no nos importa que este calor se pierda) y no otra,
como por ejemplo un intercambiador.
Descripción de la Operación Unitaria
Esta operación unitaria tiene como objetivo humedecer o deshumedecer el aire y también podemos
utilizarla para enfriar agua.
La humidificación de aire se consigue al poner en contacto el aire seco, a una temperatura tal que el aire
aumente su contenido en humedad.
La deshumidificación por el contrario se conseguirá poniendo en contacto aire húmedo con un líquido más
frío, de tal manera que la temperatura del gas disminuya por debajo del punto de rocío y condense el agua,
disminuyendo así la humedad absoluta del aire hasta el calor deseado. El aire puede posteriormente
calentarse hasta una temperatura tal que su humedad relativa tenga el valor deseado.
El enfriamiento de agua puede que sea la faceta industrialmente hablando más importante de esta
operación unitaria de humidificación. El agua caliente procedente de la refrigeración de las unidades de una
planta puede enfriarse y reutilizarse con este método.
Para explicar como funciona esta operación, vamos a explicar como trabaja una columna de enfriamiento
industrial a grandes rasgos.
Esquema torre refrigeración de tiro inducido.
Generalmente la fase líquida es el agua, y la fase gas el aire.
El proceso que tiene lugar en la operación de humidificación es el siguiente:
1.- La corriente de agua (pulverizada) caliente entra por la parte superior de la columna de enfriamiento y se
pone en contacto con una de aire seco o de bajo contenido en humedad, normalmente aire atmosférico,
que entra por la parte inferior de la torre.
La columna es su interior tiene una serie de persianas o superficies de contacto optimizando así la
transferencia de materia y calor.
2.- Parte del agua pulverizada se evapora, enfriándose así la inter fase.
3.- El líquido cede entonces calor a la inter fase, y por lo tanto se enfría.
4.- A su vez, el agua evaporada en la inter fase se transfiere al aire, por lo que este se humidifica.
5.- Finalmente el agua fría sale por abajo y el vapor de agua o aire húmedo sale por la parte posterior de la
torre. Decir que la corriente de agua fría deberá de ser repuesta, ya que parte de esta se fue en forma de
vapor con el aire(a razón de un 10% del caudal).
La humidificación generalmente trabaja en régimen estacionario, por lo que transcurre de forma continua,
donde el flujo es a contracorriente optimizando así la eficiencia y rendimiento, mientras que el contacto
entre fases es directo.
Principales Variables y Ecuaciones de Diseño
Debemos tener en cuenta una serie de variables como el caudal másico de líquido, el caudal másico de gas,
la humedad del gas, la temperatura del líquido, la temperatura del gas, el calor transferido a la columna
desde el exterior, la altura de la columna y la sección transversal de la torre.
Respecto al diseño, aparte de los balances de materia y energía, debemos considerar el llamado diagrama
psicométrico que simplemente representa la temperatura frente a la humedad absoluta y se obtiene la
humedad relativa del aire.
Diagrama Piscométrico
Equipos más empleados a escala industrial
Los equipos que utilizamos en la Industria para llevar a cabo la Humidificación son las llamadas Torres o
Columnas de Enfriamiento.
Estas torres consta de una serie de persianas o bandejas y pulverizadores con el fin de que la corriente de
agua se divida en pequeñas gotas, formando una especie de lluvia dentro del equipo, mojándolo por
completo y favoreciendo así el optimización de la transferencia de calor y materia.
Tipos de Torres de Enfriamiento
Podemos clasificarlas en tres tipos, según el modo de introducir el aire a la torre.
Columna de Tiro Forzado
El ventilador se encuentra instalado en la parte inferior de la torre, por lo que el aire es empujado
para que fluya a través de ella. Trabaja en un modo de operación a contracorriente.
Esquema Tiro Forzado
Columna de Tiro Inducido
El ventilador se encuentra en la parte superior de la torre, con lo cual el aire es succionado para que pase a
través de la misma. También trabaja en contracorriente.
Esquema Tiro Inducido
Columna de Tiro Natural
No existe ventilador y el flujo de aire es consecuencia únicamente de la convección natural.
Esquema Tiro Natural
Ejemplos de Procesos Químicos donde trabaja la Operación
Esta operación la encontramos en las centrales nucleares. Aquí, para bajar la temperatura del agua
proveniente del reactor (que es muy elevada), se pasa por una torre de enfriamiento de tiro natural con una
corriente de aire frío y porteriormente una vez enfriada en agua se vuelve a recircular.
El humo blanco que vemos salir de estas gigantescas torres tan características de una central nuclear es
simplemente vapor de agua. Con este método conseguimos bajar la temperatura de la central de una forma
económica y fácil.
Existen multitud de procesos químicos donde se encuentra esta operación, por no decir prácticamente en
todos. El aire lo obtenemos de manera gratuita y tan solo nos hace falta una torre y un ventilador.
Esquema Circuito de agua de una central nuclear
Torres Refrigeración Central Nuclear de Cofrentes (Valencia)
Cuestionario
1. ¿Qué diferencia hay entre la Humidificación y Deshumidificación?
La humidificación de aire se consigue al poner en contacto el aire seco, a una temperatura tal que el aire
aumente su contenido en humedad.
La deshumidificación por el contrario se conseguirá poniendo en contacto aire húmedo con un líquido más
frío, de tal manera que la temperatura del gas disminuya por debajo del punto de rocío y condense el agua
2. ¿Cuál es la faceta industrial más característica de esta operación?
El enfriamiento de agua puede que sea la faceta industrialmente hablando más importante de esta
operación unitaria de humidificación. El agua caliente procedente de la refrigeración de las unidades de una
planta puede enfriarse y volver reutilizarse con este método.
3. ¿Qué criterio se sigue a la hora de diferenciar los tipos de columnas de enfriamiento? Nombra los tipos.
Se clasifican según el modo de introducir el aire a la torre. De tiro inducido, de tiro forzado o de tiro natural.
4. ¿Podrías decirme los modos de operación a los que trabaja la Humidificación/Deshumidificación?
La humidificación generalmente trabaja en régimen estacionario, por lo que transcurre de forma continua,
donde el flujo es a contracorriente optimizando así la eficiencia y rendimiento, mientras que el contacto
entre fases es directo.