TESIS: Diseño, Construcción e Instalación de un Condensador con

Transcripción

Tesis: “Diseño, Construcción e Instalación de un Condensador con Envolvente Multitubular Para
la Obtención de Aceites Esenciales Para el Laboratorio de Procesos y Operaciones Unitarias de la
FIQ”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA AMAZONÍA PERUANA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS:
Diseño, Construcción e Instalación de un Condensador con
Envolvente Multitubular para la Obtención de Aceites
Esenciales para el Laboratorio de Procesos y Operaciones
Unitarias de la F.I.Q.-UNAP.
AUTORES:
WILDE GUSTAVO RÍOS BARDALES.
JUAN JOSÉ GARLASQUI VÁSQUEZ.
LUIGI ANDRE RODRIGUEZ PACIFFICO.
Para optar el Título Profesional de Ingeniero Químico
Iquitos – Perú
2015
Facultad de Ingeniería Química – UNAP
1
FIQ”
UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA AMAZONÍA PERUANA
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Tesis sustentada el 24 de Abril del 2015 en el Auditorio de la Facultad
de Ingeniería Química, siendo aprobada por Unanimidad con
calificativo de Buena.
MIEMBROS DEL JURADO
___________________________________
Ing. Jorge Armando Vásquez Pinedo, Mgr.
Reg. CIP N° 32634
Presidente
_______________________
______________________
Ing. Víctor García Pérez
Ing. Rosa I. Souza Najar
Reg. CIP N° 33277
Reg. CIP N° 32634
Miembro
Miembro
ASESORES
_______________________
___________________________
Ing. Jorge E. Cornejo Orbe
Ing. Gabriel E. Vargas Arana, Dr.
Reg. CIP N° 93663
Asesor
Reg. CIP N° 147224
Co-Asesor
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FIQ”
INDICE
ANTECEDENTES ............................................................................................................. 1
INTRODUCCIÓN............................................................................................................... 9
OBJETIVOS .................................................................................................................... 11
-
GENERAL:........................................................................................................................... 11
-
ESPECIFÍCOS:................................................................................................................... 11
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................. 12
CAPITULO I: TRANSMISIÓN DE CALOR EN FLUIDOS CON CAMBIO DE FASE ....... 13
1.1 Transmisión De Calor Desde Vapores Condensantes .................................................. 13
1.2 Condensación en gotas y en película............................................................................... 14
1.3 Coeficientes para la condensación en película............................................................... 16
CAPITULO II: GENERALIDADES DEL EQUIPO DE CONDENSACIÓN ........................ 22
2.1 Descripción General del Condensador Multitubular....................................................... 22
2.2 Mecanismos de Transferencia de Calor .......................................................................... 24
2.2.1 Conducción de Calor.................................................................................................... 25
2.2.2 Convección .................................................................................................................... 28
2.2.3 Radiación ....................................................................................................................... 30
2.3 Composición del Condensador.......................................................................................... 32
2.3.1 Cuerpo............................................................................................................................ 32
2.3.2 Cuello del Condensador .............................................................................................. 33
2.3.3 Pozo de Condensado .................................................................................................. 33
2.3.4 Cajas de Agua............................................................................................................... 34
2.4 Sistemas Auxiliares ............................................................................................................. 34
2.4.1 Sistema de Eliminación de Condensados ................................................................ 34
2.5 Sistema de Limpieza y Mantenimiento............................................................................. 37
2.5.1 Dispositivos Taprogge ................................................................................................. 37
CAPITULO III: ALGUNAS DEFINICIONES APLICADAS A LA DESTILACIÓN ............. 40
3.1 Extracción por Arrastre de Vapor ...................................................................................... 40
3.2 Tipos de Codestilación Acuosa ......................................................................................... 40
3.2.1 Destilación con Agua ................................................................................................... 41
3.2.2 Destilación con Agua y Vapor .................................................................................... 41
3
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3.2.3 Destilación con Vapor .................................................................................................. 41
3.3 Destilación al Vacío ............................................................................................................. 42
3.4 Por Extracción con Disolventes Volátiles......................................................................... 42
3.5 Por Enflurage (Enflorado)................................................................................................... 43
3.6 Por Maceración .................................................................................................................... 44
3.7 Método con Fluido Supercrítico ......................................................................................... 44
3.8 Aceites Esenciales............................................................................................................... 44
CAPITULO IV: CONDICIONES Y CÁLCULOS DE DISEÑO........................................... 47
4.1 Variables más Importantes a tomar en Cuenta en el Diseño y Construcción del
Equipo .......................................................................................................................................... 47
4.1.1 Base de Cálculo y Capacidad .................................................................................... 47
4.1.2 Volumen del Tanque Cilíndrico Vertical .................................................................... 47
4.1.3 Diámetro del Tanque Cilíndrico Vertical ................................................................... 47
4.1.4 Altura del Tanque Cilíndrico Vertical ......................................................................... 48
4.1.5 Dimensiones del Corte de la Plancha Para la Construcción del Cilindro Vertical
................................................................................................................................................... 48
4.1.6 Volúmen del Cono del Tanque Cilíndrico Vertical................................................... 49
4.1.7 Generatriz y Ángulo Central del Cono....................................................................... 49
4.1.8 Longitud de la Circunferencia del Cono.................................................................... 49
4.1.9 Área Lateral del Cono .................................................................................................. 50
4.1.10 Área del Casquete Esférico ...................................................................................... 50
4.1.11 Diseño Térmico del Condensador ........................................................................... 50
4.1.12 Pérdidas de Calor en Cuerpos no Aislados ........................................................... 51
4.1.13 Carga de Calor al Sistema........................................................................................ 51
4.2 Condiciones Iniciales a Considerar en el Diseño ........................................................... 52
4.2.1 Bases de Cálculo y Capacidad .................................................................................. 52
4.3 Diseño del Extractor ............................................................................................................ 54
4.3.1 Cálculo del Diámetro del Extractor ............................................................................ 54
4.3.2 Cálculo de la Altura del Extractor............................................................................... 54
4.3.3 Cálculo de la Longitud de Circunferencia Para la Construcción del Extractor ... 55
4.3.5
Cálculo de las Especificaciones Técnicas del Casquete Esférico.................. 58
4.4 Diseño del Condensador con Envolvente Multitubular .................................................. 60
CAPITULO V: CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN DEL EQUIPO ................................. 70
4
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5.1 Selección de Materiales...................................................................................................... 70
5.2 Materiales Empleados......................................................................................................... 75
5.3
Descripción y Especificaciones de los Componentes Principales del Equipo...... 75
CAPITULO VI: EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CONTROL DEL EQUIPO . 81
6.1 Descripción del Funcionamiento del Equipo ................................................................... 81
6.2 Ensayos y Pruebas de Funcionamiento del Equipo....................................................... 91
6.3 Análisis de los Resultados Obtenidos .............................................................................. 91
6.4 Determinación de las Condiciones Óptimas (Parámetros) de Funcionamiento ........ 93
6.5 Otro Usos y Aplicaciones.................................................................................................... 93
6.6 Manual de Instrucción para el Funcionamiento del Condensador con Envolvente
Multitubular .................................................................................................................................. 94
CAPÍTULO VII: ANÁLISIS DE COSTOS......................................................................... 99
7.1 Costos De Diseño ................................................................................................................ 99
7.2 Costos de Construcción e Instalación ............................................................................ 100
7.3 Costo Total.......................................................................................................................... 102
RESULTADOS Y DISCUSIONES ................................................................................. 103
CONCLUSIONES.......................................................................................................... 105
RECOMENDACIONES.................................................................................................. 106
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.............................................................................. 107
ANEXOS ....................................................................................................................... 110
5
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ANTECEDENTES
Los aceites esenciales son compuestos naturales volátiles, que se caracterizan
por un olor fuerte y que forman parte de las plantas aromáticas como metabolitos
secundarios. Son conocidos por sus propiedades antioxidantes, antibacterianas,
antifúngicas y antivirales. En la actualidad se conocen aproximadamente 3000
aceites esenciales, 300 de los cuales son comercialmente importantes,
especialmente para la industria farmacéutica, agronómica, alimentos cosmética y
perfumería (Bakkil et al., 2008)
Existen diferentes métodos para la extracción de aceites esenciales, siendo la
destilación por arrastre de vapor uno de los más utilizados a escala industrial, por
ser un método sencillo y de bajo costo, a comparación de otros métodos
alternativos como el de la extracción por fluidos supercríticos y el de extracción por
microondas, que pueden tener mejor rendimiento, pero para un nivel industrial aun
es necesario realizar mayor investigación (Peredo-Luna et al., 2009)
La Hierba Luisa (Cymbopogon citratus), es una especie de hierba perteneciente
a la familia de las poáceas. Existen varios estudios sobre extracción,
caracterización química y actividad biológica del aceite esencial de C. citratus. El
rendimiento promedio de extracción del aceite de Hierba Luisa es de 0.46%
(Rodriguez-Quintanilla et al., 2012). Esta planta es usada ampliamente en todo el
mundo, en forma de infusión o como ingrediente de cocina. Se ha reportado que el
aceite esencial de C. citratus posee buena actividad in vitro frente a las bacterias
Helicobacter pyroli (Ohno et al., 2003) y Escherichia coli (Naik et al., 2010),
además de actividad insecticida contra la mosca domestica (Samarasekera y
Kalhari, 2006). Entre los componentes mayoritarios de este aceite esencial se
encuentran geranial, neral y el β-mirceno (Onawunmi et al., 1984).
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Para el diseño y construcción de un Condensador con envolvente multitubular
para obtener aceites esenciales, se debe tener en cuenta los siguientes factores:
el volumen del alambique y la demanda de vapor. Para determinar el volumen
requerido del alambique resulta muy valioso evaluar la densidad aparente del
material vegetal que se va a destilar, este se puede estimar midiendo el peso del
material que ocupa un volumen determinado; esta cantidad varía entre 280 kg/cm3
y 200 kg/cm3 cuando se trabaja con hojas. La demanda de vapor se calcula en
base a la cantidad de material vegetal que se va a destilar, y con este valor se
determina la capacidad del generador de vapor en caballos de caldera o BPH
necesarios para el proceso (Foncheta y Lizarazo, 2007).
Para diseñar y construir un intercambiador de calor de doble tubo en flujo paralelo
y contracorriente se evaluó la cantidad de calor que puede aprovecharse bajo esta
condición, así mismo, se tomaron datos de temperaturas del fluido caliente y fluido
frío para establecer un diferencial de temperatura y en base a éste determinar la
temperatura de equilibrio en el sistema (Ferry y Chávez 2005).
En el diseño y construcción de un equipo intercambiador de calor se tomaron en
cuenta las características del fluido que tiene que desplazarse a través de los
tubos tales como la viscosidad, densidad, capacidad calorífica, conductividad
térmica con la finalidad de determinar la cantidad de calor que puede absorber o
perder el fluido a calentar o enfriar, respectivamente; además estas características
del fluido se tomaron en cuenta para determinar el tipo de material a utilizar para
los tubos del intercambiador y con el coeficiente de calor total de diseño, se
calculó la longitud requerida de los tubos a lo largo del intercambiador (Rosales,
Reátegui y Angulo 1983).
Para el diseño y construcción de un equipo portátil de extracción de aceites
esenciales por arrastre de vapor, se establecieron parámetros de operación como
Presión y Temperatura para a operación del equipo, de tal forma que no sea
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limitado para una sola especie destilable, sino que, puedan utilizarse diversas
especies para obtener aceites esenciales. En base a ello se calculó el rendimiento
del equipo con diversas especies utilizadas durante las extracciones relacionando
los datos obtenidos con el material utilizado para su construcción y con el sello
hermético del mismo (López y Ruíz 2006).
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FIQ”
INTRODUCCIÓN
El rol más importante de la Universidad está en cumplir con los estudiantes en
todos los niveles, como:
-
Enseñanza.
-
Investigación.
-
Proyección Social.
La problemática de las universidades estatales y en particular de la U.N.A.P. para
la enseñanza de las asignaturas con prácticas de laboratorio es: La carencia de
medios auxiliares, llámense equipos de experimentación y los escasos recursos
con que cuenta la Universidad.
Es difícil la adquisición de equipos, por ser los mismos de importancia y elevado
costo; sin embargo esta situación debe motivar el “DESARROLLO DE LA
CAPACIDAD PROFESIONAL” para diseñar y construir equipos sencillos con fines
didácticos, para que así la enseñanza sea adecuada tanto en el aspecto teórico
como práctico, para el buen desarrollo de las asignaturas y otorgue una mejor
formación al estudiante.
El Proceso Tecnológico para la Extracción De Aceites Esenciales es parte de la
formación académica del Ingeniero Químico, porque adquiere una serie de
conocimientos, como: Procesos Físicos-Químicos, analíticos, control de calidad
(bacteriológica y ambiental), que solo necesita ponerlos en práctica para
garantizar un producto final de calidad.
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La destilación por arrastre de vapor de agua es una técnica usada para separar
sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles de otras no
volátiles. Se emplea con frecuencia para separar aceites esenciales de tejidos
vegetales. El proceso consiste en que el vapor de agua saturada o súper
calentada y, frecuentemente, a una presión mayor que la atmosférica, atraviesa el
tejido vegetal colocado sobre un soporte, arrastrando consigo los compuestos
volátiles presentes.
La gran ventaja de este proceso es que la cantidad de vapor de agua puede ser
controlada, dando como resultado riesgos menores de degradación térmica,
constituyendo el proceso más utilizado para la extracción de aceites esenciales,
principalmente cuando se trata de la producción de aceites esenciales para su uso
en la industria farmacéutica, agronómica, alimentos, cosmética y perfumería.
(Fontecha, R.D, et al., 2007)
Las variables que gobiernan esta operación han sido estudiadas con profundidad,
tema que se pondrá en discusión.
El trabajo de investigación se ha orientado al diseño y construcción del equipo en
el laboratorio de procesos y operaciones unitarias de la Facultad de Ingeniería
Química de la UNAP, donde se llevará a cabo la extracción del aceite esencial de
Hierba Luisa (Cymbopogon citratus), y su evaluación posterior de la eficiencia de
dicho equipo en base al diferencial de temperaturas y a la extracción de aceite
esencial.
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OBJETIVOS
-
GENERAL:
Diseñar, construir e instalar un Condensador con Envolvente Multitubular
Para la Obtención de Aceites Esenciales Para el Laboratorio de Procesos y
Operaciones Unitarias de la Facultad de Ingeniería Química – UNAP.
-
ESPECIFÍCOS:
Realizar cálculos de diseño para el Condensador con Envolvente
Multitubular.
Seleccionar los materiales adecuados para la construcción del Equipo.
Construir el Condensador con Envolvente Multitubular para Obtener Aceites
Esenciales.
Determinar los parámetros de operación del equipo.
Elaborar el manual de instrucción para el funcionamiento del condensador
con envolvente, multitubular.
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JUSTIFICACIÓN
En la actualidad el laboratorio de Procesos y Operaciones Unitarias de la FIQUNAP no cuenta con equipos de condensación utilizados en los procesos de
destilación para realizar prácticas en cursos de carrera, como procesos unitarios y
operaciones de ingeniería. Esta deficiencia no permite que el egresado de la FIQUNAP, reciba la formación debida en los cursos antes mencionados, pues
actualmente existen muchas empresas que están incursionando en el tema de la
extracción de aceites esenciales, como es el caso de Young Living, una empresa
internacional dedicada al rubro de aceites esenciales que pronto estará ubicando
una planta de destilación en nuestra ciudad.
Conociendo esta problemática, se trata de dar solución propiciando la
construcción de equipos que conduzcan a la implementación del laboratorio de
procesos y operaciones unitarias de la FIQ, con alcances a nivel de enseñanza
académica, investigación y proyección social. Con la introducción de esta nueva
tecnología de destilación directa con vapor utilizando un condensador con
envolvente multitubular, para obtener aceites esenciales, estaríamos aportando al
laboratorio de procesos y operaciones unitarias (FIQ-UNAP) un nuevo equipo para
la realización de prácticas de los cursos de procesos unitarios y operaciones de
ingeniería. A nivel de investigación este equipo puede servir para implementar una
nueva línea de bioprospeción de aceites esenciales en espíes vegetales
amazónicas.
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CAPITULO I: TRANSMISIÓN DE CALOR EN FLUIDOS CON CAMBIO DE FASE
Los procesos de transmisión de calor acompañados por un cambio de fase
son más complejos que el simple intercambio de calor entre fluidos. Un
cambio de fase implica la adición o substracción de cantidades
considerables de energía calorífica a temperatura constante o casi
constante. La velocidad del cambio de fase puede estar regida por la
velocidad de transmisión de calor, pero más frecuentemente, está
gobernada por la velocidad de nucleación de burbujas, gotas o cristales, y
por el comportamiento de la nueva fase una vez formada. Este capítulo se
dedica a condensación de vapores y ebullición de líquidos.
1.1 Transmisión De Calor Desde Vapores Condensantes
La condensación de vapores sobre superficies tubulares más frías que la
temperatura de condensación del vapor es de gran importancia en los
procesos en los que intervienen vapores tales como los de agua,
hidrocarburos y otras sustancias volátiles. En este libro se presentan
algunos ejemplos al estudiar las operaciones básicas de evaporación,
destilación y secado.
El vapor que condensa puede ser una sustancia pura, una mezcla de
sustancias condensables y no condensables, o una mezcla de dos o más
vapores condensables. Las pérdidas por fricción en un condensador son
generalmente muy pequeñas, de forma que la condensación es
esencialmente un proceso a presión constante. La temperatura de
condensación de una sustancia pura depende exclusivamente de la presión
y, por consiguiente, la condensación de una sustancia pura es un proceso
isotérmico. El condensado también es una sustancia pura. La condensación
de una mezcla de vapores, a presión constante, se produce en un intervalo
de temperatura y genera un condensado cuya composición va variando
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FIQ”
hasta que condensa todo el vapor, momento en que la composición del
condensado es igual a la del vapor original no condensado. Un ejemplo
corriente de condensación de una sustancia a partir de su mezcla con un
segundo componente no condensable lo constituye la condensación de
agua en una mezcla de vapor de agua y aire.
El tratamiento que se presenta ahora está dirigido hacia la transmisión de
calor desde una sustancia volátil pura que condensa sobre un tubo frío.
1.2 Condensación en gotas y en película.
Un vapor puede condensar sobre una superficie fría en una de estas dos
formas: en gotas o en película. En la condensación en película, que es más
frecuente que la condensación en gotas, el líquido condensado forma una
película o capa contínua que fluye sobre la superficie del tubo por acción de
la gravedad. Esta capa de líquido interpuesta entre el vapor y la pared del
tubo es la que proporciona la resistencia al flujo de calor y, por
consiguiente, la que fija el valor del coeficiente de transmisión de calor.
En la condensación en gotas el condensado comienza a formarse en
puntos microscópicos de nucleación, tales como hoyos diminutos, arañazos
y manchas de polvo. Las gotas crecen y se juntan con otras que están en
sus inmediaciones para formar pequeñas gotas visibles, análogas a las que
se forman sobre la superficie de un vaso que contiene agua fría cuando se
expone a un ambiente húmedo. Las gotas finas se reúnen a su vez
formando arroyuelos que fluyen hacia abajo por acción de la gravedad,
barren el condensado y dejan la superficie libre para la formación de nuevas
gotitas. Durante la condensación en forma de gotas una gran parte de la
superficie fría está desnuda y, por consiguiente, directamente expuesta al
vapor. Como no hay película de líquido, la resistencia a la transmisión de
calor en las áreas desnudas es muy pequeña, de forma que el coeficiente
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FIQ”
de transmisión de calor es muy elevado. El coeficiente medio para la
condensación en gotas puede ser de cinco a ocho veces mayor que para la
condensación en película. En tubos largos puede haber condensación en
película en una parte de la superficie y en gotas en el resto.
Las observaciones más amplias e importantes sobre la condensación en
gotas se han hecho con vapor de agua, pero se ha observado también en
etilenglicol, glicerina, nitrobenceno, iso-heptano, y otros vapores orgánicos.
Los metales líquidos condensan generalmente en forma de gotas. La
aparición de condensación en gotas depende fundamentalmente de que el
líquido moje o no a la superficie, de forma que el fenómeno cae dentro del
campo de la química de superficies. Una gran parte del trabajo experimental
realizado sobre la condensación en gotas del vapor de agua se puede
resumir en los siguientes párrafos4:
a) Siempre que el vapor de agua y el tubo estén limpios la condensación sobre
tubos
de
metales
corrientes
se
produce
en
forma
de
película,
independientemente de que lo haga en presencia o no de aire y sobre
superficies rugosas o pulimentadas.
b) La condensación en gotas se consigue solamente cuando el líquido no moja
la superficie fría y se mantiene más fácilmente sobre superficies lisas que
sobre superficies rugosas. La condensación en gotas es frecuentemente
inducida por la contaminación del vapor con gotas de aceite.
c) La cantidad de contaminante o promotor que se necesita para provocar la
condensación en gotas es muy pequeña y aparentemente basta con una
capa monomolecular.
d) Los promotores eficaces de gotas son fuertemente adsorbidos por la
superficie y las sustancias que solamente evitan el mojado, son ineficaces.
Algunos promotores son especialmente eficaces sobre ciertos metales,
como ocurre, por ejemplo, con los mercaptanos sobre aleaciones de cobre.
Otros promotores, tales como ácido oleico, presentan una eficacia muy
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FIQ”
generalizada. Finalmente, algunos metales, como el acero y el aluminio,
resultan difíciles de tratar para obtener condensación en gotas.
e) El coeficiente medio que se puede obtener para la condensación en gotas
alcanza valores tan elevados como 20 000 Btu/pie’-h-“F (114 kW/m2-“C). Si
bien se han hecho algunos intentos para aprovechar prácticamente estos
elevados coeficientes, provocando artificialmente la condensación en gotas,
este tipo de condensación es inestable y difícil de mantener, razón por la
cual el método es muy poco utilizado. Por otra parte, la resistencia de la
capa de vapor condensado, aun para la condensación en forma de película,
es generalmente pequeño en comparación con la resistencia del otro lado
del tubo, de forma que con la condensación en gotas se consigue un
incremento relativamente pequeño del coeficiente global. Por estos motivos,
en las operaciones normales de diseño se supone que la condensación se
produce en forma de película.
1.3 Coeficientes para la condensación en película
Nusselt fue el primero en deducir las ecuaciones básicas de la velocidad de
transmisión de calor para la condensación en película. Las ecuaciones de
Nusselt se basan en la suposición de que en el límite exterior de la capa del
líquido condensado el vapor y el líquido están en equilibrio termodinámico,
de forma que la única resistencia al flujo de calor es la que ofrece la capa
de condensado que desciende con flujo laminar bajo la acción de la
gravedad. También se admite que la velocidad del líquido en la pared es
cero, que dicha velocidad en el exterior de la película no está influenciada
por la velocidad del vapor, y que las temperaturas de la pared y el vapor
son constantes. Se desprecia el sobrecalentamiento del vapor, se supone
que el condensado abandona el tubo a la temperatura de condensación, y
las propiedades físicas del líquido se toman a la temperatura media de
película.
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FIQ”
Tubos verticales. La teoría de Nusselt establece que, en la condensación en
película, comienza a formarse la película de condensado en la parte
superior del tubo y que el espesor de la misma aumenta rápidamente en los
primeros centímetros de la parte superior para hacerlo luego más
lentamente en la restante longitud de tubo. Se supone que el calor fluye a
través de la película de condensado solamente por conducción, de forma
que el coeficiente local viene dado por
Siendo
ℎ =
ℎ
el espesor local de la película.
Resulta, por consiguiente, que el coeficiente local es inversamente
proporcional al espesor de película. En la Figura A se representan las
variaciones de ℎ , y
con la distancia a la parte superior del tubo para un
caso típico. El espesor de película es normalmente dos o tres órdenes de
magnitud menor que el diámetro del tubo. Por consiguiente, puede
obtenerse a partir de la Ecuación para una lámina plana, tanto para el
interior como para el exterior de tubos. Puesto que hay un gradiente de
temperatura en la película, las propiedades del líquido se evalúan para la
temperatura media de película Tf dada por la Ecuación (13.11). En la
condensación sobre una superficie vertical, para la que cos β = 1, la
Ecuación (5.76 – Kern 1950) adquiere la forma.
=
3
⁄
Figura A: Espesor de película y coeficientes locales para la película
descendiente de condensación del metanol (Ver Anexo).
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FIQ”
Donde
es la carga del condesando, la velocidad de masa por unidad de
longitud periférica.
Sustituyendo para
en la ecuación se obtiene la siguiente ecuación para el
coeficiente local de transferencia de calor, a una distancia L partiendo del
extremo superior de la superficie vertical
ℎ =
⁄
3
La ecuación se aplica a la condensación tanto en el interior como en el
exterior de los tubos. Los vapores puros en general se condensa en el
exterior de los tubos y para esta situación, con tubos verticales, el
coeficiente local viene dado por las relaciones
ℎ =
=
∆
λdṁ
∆
Donde λ = calor de evaporación
ṁ = velocidad local de flujo condensado
Ya que ṁ/
= , la ecuación se escribe
ℎ =
λdT
∆
El coeficiente promedio h para todo el tubo se define por
ℎ =∆
Donde
=
ṁ λ
∆
=
λ
∆
…..(o)
= velocidad total de transferencia de calor
ṁ = velocidad total de condensación
= longitud total del tubo
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FIQ”
= carga de condensado en el fondo (extremo inferior) del tubo
Eliminando ℎ de las ecuaciones y despejando para ∆
∆
Al sustituir ∆
⁄
=
λdΓ
se obtiene
…(Y)
de la ecuación (Y) en la ecuación (o) queda
ℎ=
⁄
3
⁄
Si se reordena la ecuación y se integra entre los límites adecuados
ℎ
⁄
=
⁄
3
En la cual
4
ℎ=
3
3
⁄
Al comparar las ecuaciones se observa que el coeficiente promedio para un
tubo vertical, con flujo laminar, es
veces el coeficiente local en el extremo
inferior del tubo.
La ecuación se reordena para incluir el número de Reynolds a la salida para
el condensado por formación de película 4 ⁄
19
FIQ”
⁄
ℎ
= 1.47
4
⁄
= 1.47
⁄
Suponiendo que el gradiente de temperatura es constante a través de la
película y que l/,u varía linealmente con la temperatura, la temperatura de
referencia para la evaluación de
, kf, y
, viene dado por la ecuación
Ecuación 13.11.
La ecuación se utiliza con frecuencia en una forma equivalente en la que el
término Γb se ha eliminado combinando las ecuaciones para obtener
Las ecuaciones fueron derivadas de las suposiciones del flujo laminar del
condensado, los datos experimentales concuerdan con la teoría, pero
solamente para los bajos números de Reynolds. Cuando el número de
Reynolds 4 ⁄
es mayor que 30, las ondulaciones aparecen sobre la
superficie de la película condensada y aumenta la velocidad de la
transferencia de calor. El espesor de promedio de la película aún guarda un
acuerdo razonable con la teoría del flujo laminar, hasta un Re ≅ 1200, pero
como el Re aumenta, el coeficiente de la transferencia de calor se vuelve
considerablemente mayor del predicho. Cuando el Re es mayor que 1800,
la película se vuelve turbulentas.
20
FIQ”
En la figura (Z) se da una correlación para el coeficiente promedio como
una función del número Reynolds al extremo final del tubo. Para las
regiones laminar onduladas y turbulentas la ecuación empírica es
´=
ℎ
⁄
=(
.
+ 5.82 × 10
.
.
)
⁄
El segundo término de la ecuación se interpreta como el número de Nusselt
con una longitud característica de
misma que para el espesor de película .
⁄
, pero esta longitud no es la
21
FIQ”
CAPITULO II: GENERALIDADES DEL EQUIPO DE CONDENSACIÓN
2.1 Descripción General del Condensador Multitubular
El condensador que trataremos en este proyecto, es, básicamente, de un
cuerpo cerrado de acero inoxidable atravesado por tubos paralelos. A
través de estos tubos circulará la mezcla vapor de agua – vapor de aceite
esencial, que será enfriada por agua a temperatura ambiente que circula,
con flujo a contra corriente, por las paredes externas de los tubos.
Su misión principal es la de extraer calor de la mezcla vapor de agua –
vapor de aceite esencial, aprovechando al máximo el calor latente ya que la
temperatura del fluido caliente baja considerablemente.
Podemos encontrar distintas clasificaciones de condensadores:
Entrada de vapor:
Serán axiales u horizontales cuando la salida de vapor del equipo de
destilación se encuentra en el lateral del condensador y verticales o Down
Flow cuando la salida de vapor del equipo de destilación está situada en la
parte superior del condensador.
Número de cuerpos:
De uno o varios cuerpos en función de la potencia y caudal de salida. En los
condensadores de un solo cuerpo la descarga de vapor del equipo de
destilación se hace directamente sobre los tubos o haces situados en una
única carcasa. En los demás de un cuerpo el vapor se divide en flujos que
son dirigidos hacia distintos condensadores que operaran en igualdad de
condiciones.
22
FIQ”
Número de pasos:
Según las veces que el agua de circulación recorre el condensador,
encontraremos condensadores de un paso o de varios (dos en general). En
el de un paso, el agua entra en el condensador por un extremo, atraviesa el
condensador y sale por el lado opuesto mientras que en el de dos pasos, el
agua entra por un extremo, llega al final del haz y retorna de nuevo saliendo
por el mismo extremo por el que entró.
Se muestran a continuación esquemas sobre los distintos modelos:
Figura 1: Condensador vertical de un cuerpo y un paso por haz
23
FIQ”
Figura 2: condensador axial de un cuerpo, dos haces y dos pasos por haz.
2.2 Mecanismos de Transferencia de Calor
Calor y Temperatura
La temperatura es una magnitud física que se refiere a la sensación de frío
o caliente al tocar alguna sustancia. En cambio el calor es una transferencia
de energía de una parte a otra de un cuerpo, o entre diferentes cuerpos,
producida por una diferencia de temperatura. El calor es energía en tránsito;
siempre fluye de una zona de mayor temperatura a otra de menor
temperatura, con lo que eleva la temperatura de la zona más fría y reduce
la de la zona más cálida, siempre que el volumen de los cuerpos se
mantenga constante. La energía no fluye desde un objeto de temperatura
baja a otro de temperatura alta si no se realiza trabajo. La materia está
formada por átomos o moléculas que están en constante movimiento, por lo
tanto tienen energía de posición o potencial y energía de movimiento o
cinética. Los continuos choques entre los átomos o moléculas transforman
parte de la energía cinética en calor, cambiando la temperatura del cuerpo.
Calor
El calor se define como la energía cinética total de todos los átomos o
moléculas de una sustancia.
Temperatura.
La temperatura es una medida de la energía cinética promedio de los
átomos y moléculas individuales de una sustancia. Cuando se agrega calor
a una sustancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su
temperatura se eleva, o viceversa.
24
FIQ”
Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en
contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de
mayor temperatura al de menor temperatura. La transferencia de calor se
puede realizar por tres mecanismos físicos: conducción, convección y
radiación, que se ilustran en la figura 3.
Figura 3. Esquema de los mecanismos de transferencia de calor.
2.2.1 Conducción de Calor
La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en escala atómica
a través de la materia por actividad molecular, por el choque de unas
moléculas con otras, donde las partículas más energéticas le entregan
energía a las menos energéticas, produciéndose un flujo de calor desde las
temperaturas más altas a las más bajas. Los mejores conductores de calor
son los metales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos
conductores como el aire o plásticos se llaman aislantes.
La conducción de calor sólo ocurre si hay diferencias de temperatura entre
dos partes del medio conductor. Para un volumen de espesor ∆x, con área
de sección transversal A y cuyas caras opuestas se encuentran a diferentes
25
FIQ”
T1 y T2, con T2 > T1, como se muestra en la figura 4, se encuentra que el
calor ∆Q transferido en un tiempo ∆t fluye del extremo caliente al frío. Si se
llama H (en Watts) al calor transferido por unidad de tiempo, la rapidez de
transferencia de calor H = ∆Q/∆t, está dada por la ley de la conducción de
calor de Fourier.
donde k (en W/mK) se llama conductividad térmica del material, magnitud
que representa la capacidad con la cual la sustancia conduce calor y
produce la consiguiente variación de temperatura; y dT/dx es el gradiente
de temperatura. El signo menos indica que la conducción de calor es en la
dirección decreciente de la temperatura. En la tabla 1 se listan valores de
conductividades térmicas para algunos materiales, los altos valores de
conductividad de los metales indican que son los mejores conductores del
calor.
A
T2
H
T1
∆x
Figura 4.
26
FIQ”
Tabla .1 Algunos valores de conductividades térmicas.
Metales,
a
Gases,
25ºC
a
Otros
20ºC
Sustancia k (W/mK)
Sustancia
materiales
k
Sustancia k (W/mK)
(W/mK)
Aluminio
238
Aire
0.0234
Asbesto
0.08
Cobre
397
Helio
0.138
Concreto
0.8
Oro
314
Hidrógeno 0.172
Diamante
2300
Hierro
79.5
Nitrógeno
0.0234
Vidrio
0.84
Plomo
34.7
Oxígeno
0.0238
Hule
0.2
Plata
427
Madera
0.08 a
0.16
Latón
110
Corcho,
0.42
Tejido
0.2
humano
Agua
0.56
Hielo
2
Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su
largo por un material aislante, como se muestra en la figura 5, cuyos
extremos de área A están en contacto térmico con fuentes de calor a
temperaturas T1 y T2 > T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio
térmico, la temperatura a lo largo de la barra es constante. En ese caso el
gradiente de temperatura es el mismo en cualquier lugar a lo largo de la
barra, y la ley de conducción de calor de Fourier se puede escribir en la
forma:
27
FIQ”
Figura 5
2.2.2 Convección
La convección es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento
de masa o circulación dentro de la sustancia. Puede ser natural producida
solo por las diferencias de densidades de la materia; o forzada, cuando la
materia es obligada a moverse de un lugar a otro, por ejemplo el aire con un
ventilador o el agua con una bomba. Sólo se produce en líquidos y gases
donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio.
En la naturaleza, la mayor parte del calor ganado por la atmósfera por
conducción y radiación cerca de la superficie, es transportado a otras capas
o niveles de la atmósfera por convección.
Un modelo de transferencia de calor H por convección, llamado ley de
enfriamiento de Newton, es el siguiente:
H = h A (TA – T)
Donde h se llama coeficiente de convección, en W/(m 2K), A es la superficie
que entrega calor con una temperatura TA al fluido adyacente, que se
encuentra a una temperatura T, como se muestra en el esquema de la
28
FIQ”
figura 6. La tabla 2 lista algunos valores aproximados de coeficiente de
convección h.
agua
T
H
TA
El flujo de calor por
A
es Figura.6. Proceso de convección.
positivo
(H > 0) si el calor se transfiere desde la superficie de área A al fluido (T A >
convección
T) y negativo si el calor se transfiere desde el fluido hacia la superficie (T A <
T).
Tabla 2. Valores típicos de coeficiente de convección.
Proceso
h
(W/m2K)
Convección libre
Gases
2 - 25
Líquidos
50
-
1000
Convección forzada
Gases
25 - 250
Líquidos
50
-
20000
29
FIQ”
2.2.3 Radiación
La radiación térmica es energía emitida por la materia que se encuentra a
una temperatura dada, se produce directamente desde la fuente hacia
afuera en todas las direcciones. Esta energía es producida por los cambios
en las configuraciones electrónicas de los átomos o moléculas constitutivos
y transportada por ondas electromagnéticas o fotones, por lo recibe el
nombre de radiación electromagnética. La masa en reposo de un fotón (que
significa luz) es idénticamente nula. Por lo tanto, atendiendo a relatividad
especial, un fotón viaja a la velocidad de la luz y no se puede mantener en
reposo. (La trayectoria descrita por un fotón se llama rayo). La radiación
electromagnética es una combinación de campos eléctricos y magnéticos
oscilantes y perpendiculares entre sí, que se propagan a través del espacio
transportando energía de un lugar a otro.
A diferencia de la conducción y la convección, o de otros tipos de onda,
como el sonido, que necesitan un medio material para propagarse, la
radiación electromagnética es independiente de la materia para su
propagación, de hecho, la transferencia de energía por radiación es más
efectiva en el vacío. Sin embargo, la velocidad, intensidad y dirección de su
flujo de energía se ven influidos por la presencia de materia. Así, estas
ondas pueden atravesar el espacio interplanetario e interestelar y llegar a la
Tierra desde el Sol y las estrellas. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (ν)
de las ondas electromagnéticas, relacionadas mediante la expresión λν = c,
son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de
penetración y otras características. Independientemente de su frecuencia y
longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el
vacío con una rapidez constante c = 299792 km/s, llamada velocidad de la
luz.
30
FIQ”
Los fotones son emitidos o absorbidos por la materia. La longitud de onda
de la radiación está relacionada con la energía de los fotones, por una
ecuación desarrollada por Planck:
Donde h se llama constante de Planck, su valor es h = 6,63 x 10 -34 Js.
31
FIQ”
2.3 Composición del Condensador
2.3.1 Cuerpo
El cuerpo es un cilindro vertical de acero inoxidable, que tiene como función
contener los haces tubulares, compuestos por los tubos, placas tubulares o
placas soporte y demás elementos que realizarán el intercambio de calor.
El cuerpo se diseña y construye con chapas de 2 mm de espesor
añadiéndole un sobreespesor cuyo mínimo determina el código HEI para
evitar la corrosión del material.
Dentro del cuerpo del condensador van ensamblados los siguientes
componentes:
 Tubos
Realizan el intercambio de calor entre el vapor y el agua de refrigeración.
Sus medidas dependerán del área de intercambio necesario para conseguir
un vacío adecuado para el correcto funcionamiento del sistema. Estas
dimensiones condicionan las medidas del resto del equipo ya que van
alojados en el interior del cuerpo, unidos a las cajas de agua y placas
tubulares y soportadas por las placas soporte.
 Placas tubulares
Se sitúan en ambos extremos del condensador, una por haz de tubos, a
ellas van soldadas los tubos a la entrada, salida y retorno, y son las que
comunican el haz de tubos con las cajas de agua.
32
FIQ”
2.3.2 Cuello del Condensador
El cuello une el cuerpo del condensador con el equipo de destilación. Está
fabricado, en caso de los down flow, del mismo material que el cuerpo, con
chapas de 2 mm de espesor. Su interior esta arriostrado mediante tuberías
huecas para darle rigidez y que no se deforme ante las presiones del
interior.
El cuello, aparte de conectar la salida del equipo de destilación con el
cuerpo también posee una puerta de acceso para revisiones, en caso de
ser necesaria la verificación del estado situacional del equipo de
condensación.
Entre el cuello y la salida de turbina, se coloca generalmente una junta de
expansión, aunque pueden ir unidos directamente, en el caso de los down
flow, la junta, de acero inoxidable o de goma suele ser más estrecha, se
trata de un único compensador ya que no soporta pandeos laterales como
los axiales, que necesitan dos compensadores.
2.3.3 Pozo de Condensado
El pozo de condensado se sitúa en la parte inferior del cuerpo. Tiene las
mismas dimensiones de ancho y largo del cuerpo y su función es almacenar
el vapor condensado.
En su parte inferior se encuentran los sumideros que permiten extraer el
flujo condensado para su reutilización. Generalmente se trata de dos
conexiones cuyo diámetro vendrá dado por el flujo a extraer. La capacidad
de almacenaje, vendrá en función del vapor descargado y de las
especificaciones iniciales del equipo.
33
FIQ”
2.3.4 Cajas de Agua
Las cajas de agua se sitúan en los extremos de los haces tubulares, a cada
lado del condensador.
Hay dos tipos de cajas de agua. Por un lado las cajas de entrada salida,
que llevan las conexiones necesarias para la entrada y salida del agua de
circulación. Por otro lado las cajas de retorno que permiten que el agua de
circulación vuelva al extremo contrario del condensador.
En el caso de condensadores de doble paso, el equipo lleva cajas de
entrada salida en un extremo y de retorno en el otro, si el condensador es
de un único paso, llevará cajas de entrada en un extremo y de salida en el
otro.
El diseño de las cajas de agua dependerá como siempre de las
especificaciones iniciales. En general se diseñan con acero al carbono y un
espesor de 16 mm con un sobreespesor que como mínimo ha de ser de 1,6
mm.
Las conexiones de entrada y salida del agua tienen un diámetro
determinado por el caudal de agua de circulación y se rigen por la norma
AWWA.
2.4 Sistemas Auxiliares
2.4.1 Sistema de Eliminación de Condensados
Como su propio nombre nos indica, dichos sistemas, también llamados de
generación de vacío, tienen como propósito eliminar del equipo de
34
FIQ”
destilación la mezcla de vapor y agua. Así pueden mantener el sistema a
una presión adecuada. Los sistemas más comunes son:
Eyectores
Estos sistemas eliminan condensados mediante una válvula y una tubería,
que expulsa un fluido a gran velocidad que arrastra el condensado, agua
por ejemplo, llevando a cabo la eliminación. Este sistema es el que se
utilizará para efectos del presente trabajo.
Bombas de vacío
Son los sistemas más comunes actualmente, el sistema lleva dos bombas,
una para mantener el vacío en condiciones normales y otra de reserva y
para operaciones especiales que requieran por ejemplo, obtener el vacío
con más rapidez.
Un ejemplo de este tipo de sistemas son las bombas de anillo líquido, estos
sistemas pueden ser de una o de dos etapas, en función del número de
impulsores. Utilizan un fluido de servicio mediante el cual los impulsores
transfieren energía al fluido a comprimir, se genera una capa laminar debido
a la fuerza centrífuga de los álabes de la bomba que comprime el fluido, en
este caso aire.
En un cuerpo cilíndrico parcialmente lleno de líquido se montan los
impulsores excéntricamente. Al girar, los álabes hacen que el fluido cree un
anillo que gira en el cuerpo cilíndrico creando simultáneamente un proceso
de aspiración y compresión.
Las bombas de anillo líquido tienen las siguientes características:
35
FIQ”
Posibilidad de bombear prácticamente cualquier tipo de vapor o gas.
Compresión prácticamente isoterma.
Cámara de compresión libre de lubricante.
Bajo nivel de ruido, libre de vibraciones, y mínimo mantenimiento.
Diferentes materiales de construcción dependiendo de las propiedades del
fluido a comprimir.
A continuación se muestra una bomba de anillo líquido y un esquema del
funcionamiento.
Figura 3: Bomba de anillo líquido.
36
FIQ”
Figura 2.14. Esquema de funcionamiento de una bomba de anillo líquido.
2.5 Sistema de Limpieza y Mantenimiento
Cuando hablamos de sistemas de limpieza, nos referimos sobre todo a la
limpieza de los tubos, ya que posibles incrustaciones o impurezas en su
interior, puede provocar que la transferencia de calor no sea óptima.
La limpieza puede hacerse de dos maneras:
Con cepillos cilíndricos que se introducen en los tubos impulsándolos con
agua a presión. Esta limpieza se puede hacer a mitad de carga de la turbina
si el condensador puede dividirse en dos partes. Si no, es necesario parar
la turbina.
Mediante la circulación de bolas esponjosas durante la marcha normal del
equipo para limpiar las paredes, también llamado taprogge.
2.5.1 Dispositivos Taprogge
Como acabamos de comentar, este sistema consiste en la circulación de
bolas esponjosas por el interior de los tubos para mantener la limpieza en
las paredes. Las esferas limpian las paredes internas de los tubos de agua
37
FIQ”
de refrigeración, evitando que disminuya la transmisión de calor del vapor al
agua.
A parte de la misión de limpieza, estas esponjas evitan también la corrosión
de los tubos. El concepto de fouling o ensuciamiento comprende los
siguientes procesos:
Productos corrosivos, óxidos y sales.
Precipitación y cristalización por carbonatos, sulfatos o silicatos también
denominado scaling.
Sedimentación de partículas arenas y fangos.
Biofoulling o desarrollo microbiano.
El objetivo de la limpieza es el mantenimiento de los tubos de refrigeración.
Cuando hay que eliminar incrustaciones duras o productos de corrosión es
preciso efectuar una limpieza a fondo, que se realiza con esferas de
corindón.
38
FIQ”
La frecuencia de esferas (número de pasos de las esferas por tubo y hora)
depende de la carga y del tiempo de recirculación de las mismas, del
periodo de limpieza (duración de una limpieza en funcionamiento no
continuo) y del intervalo de limpieza (intervalo de tiempo entre el comienzo
de dos periodos de limpieza).
Un aumento del desgaste de las esferas indica una rugosidad superior
dentro de los tubos causada por determinadas circunstancias como la
corrosión.
En
estos
casos
hay
que
inyectar
temporalmente,
o
permanentemente, esferas de corindón o esferas pulidoras y variar, si es
preciso, el acondicionamiento del agua de refrigeración. Las distintas
medidas a tomar deben determinarse en cada caso particular. La
sustitución oportuna de las esferas desgastadas es muy importante para
lograr una limpieza eficaz. Una esfera se considera gastada si ha sido
utilizada hasta tener el diámetro interno del tubo.
39
FIQ”
CAPITULO III: ALGUNAS DEFINICIONES APLICADAS A LA DESTILACIÓN
3.1 Extracción por Arrastre de Vapor
Es una operación, donde el soluto a extraer se encuentra en medio sólido
para ser extraído con solvente que se encuentra en forma de gas o vapor.
Se usa por lo general para obtener sustancias volátiles de materias
orgánicas, como especias, frutos, semillas, raíces, tallos, etc., que los
contienen. Los principales productos que se extraen con este método son
los aceites esenciales y saborizantes. (LOCK, 1994)
Este tipo de extracción, es una operación en sistemas heterogéneos, donde
uno de los componentes (solvente) es el agua en forma de vapor o gas, y el
otro (soluto) un aceite esencial u otro componente que está en un medio
sólido (operación sólido – gas), pero estas consideraciones son aplicables a
todos los demás casos que se emplee una sustancia donde la esencia sea
insoluble; generalizando, todos los arrastres reciben el nombre de
codestilación y son de gran interés. La codestilación acuosa se utiliza para
extraer los aceites esenciales.
3.2 Tipos de Codestilación Acuosa
Este tratamiento se realiza, fundamentalmente, de tres formas distintas,
consistentes en tratar el material con agua hirviente, con una mezcla de
agua y vapor o con vapor seco; denominado comúnmente “destilación con
agua”, “con agua y vapor”, y “con vapor”, las que pueden realizarse a
presiones superiores o inferiores a la atmosférica.
40
FIQ”
3.2.1 Destilación con Agua
En esta modalidad, el material a tratar se sumerge en agua, que se hace
hervir calentando a fuego directo o mediante vapor que llega a una camisa
o serpentín cerrado. En éste método es máxima la acción química del agua
sobre el material (hidrólisis, oxidaciones) y por ello se utiliza cuando la
esencia a obtener procede de glucósidos inodoros, también resulta útil si el
material tiende a apelmazarse mucho (flores pequeñas) y cuando se
necesitan aparatos transportables, buscándose entonces alambiques
sencillos y fáciles de montar.
3.2.2 Destilación con Agua y Vapor
Se basa en colocar el material a destilar en un falso fondo que lo aísla del
agua, haciendo hervir ésta con fuego directo, vapor en camisa o serpentín.
De esta forma, el agua desprende vapores siempre saturados, entonces la
hidrólisis es mínima por no encontrarse el material en contacto con los
vapores más tiempo que el justamente necesario.
La velocidad de trabajo no es muy grande, requiriendo mucho tiempo para
el arrastre de las esencias ricas en componentes de alto punto de
ebullición. Por este sistema, no se alcanza temperaturas altas, pues
corresponde a la destilación con vapor de baja presión y produce muy
pocas descomposiciones.
3.2.3 Destilación con Vapor
Se hace pasar en ella vapor seco a través del material vegetal colocado en
columnas o cestones; el vapor tiende a recalentarse en virtud a la
resistencia opuesta a su paso por el material, y esto debe evitarse lo más
posible, ya que el mayor inconveniente del método se basa en que, cuando
están secas las membranas celulares son apenas permeables y el aceite
41
FIQ”
esencial no puede salir al exterior. El material se puede cargar de cualquier
forma, pues sólo presentan inconvenientes en este sistema los polvos, por
su tendencia al apelmazamiento; va muy bien para semillas, maderas y
raíces, cuyos componentes de alto punto de ebullición se arrastran así
fácilmente. (ROMERO Y OTINIANO, 1999)
El rendimiento suele ser bueno, si el material ha sufrido previamente una
trituración apropiada, y la calidad obtenida es francamente buena.
3.3 Destilación al Vacío
Es un método para destilar sustancias a temperaturas por debajo de su
punto normal de ebullición, es hacer el vacío parcial en el alambique. Por
ejemplo, la anilina puede ser destilada a 100 °C, extrayendo el 93% del aire
del alambique. Este método es tan efectivo como la destilación por vapor,
pero más caro. Cuanto mayor es el grado de vacío, menor es la
temperatura de destilación. Si la destilación se efectúa en un vacío
prácticamente perfecto, el proceso se llama destilación molecular. Este
proceso se usa normalmente en la industria para purificar vitaminas y otros
productos inestables. Se coloca la sustancia en una placa dentro de un
espacio en el que se ha hecho el vacío y se calienta. El condensador es
una placa fría, colocada tan cerca de la primera como sea posible. La
mayor parte del material pasa por el espacio entre las dos placas, y por lo
tanto se pierde muy poco.
3.4 Por Extracción con Disolventes Volátiles
En el método de extracción con solventes volátiles, la muestra seca y
molida se pone en contacto con solventes tales como alcohol, cloroformo,
etc. Estos solventes, solubilizan la esencia pero también solubilizan y
extraen otras sustancias tales como grasas y ceras, obteniéndose al final
42
FIQ”
una esencia impura. Se utiliza a escala de laboratorio, pues a nivel
industrial resulta costoso por el valor comercial de los solventes, porque se
obtienen esencias impurificadas con otras sustancias, y además por el
riesgo de explosión e incendio característicos de muchos solventes
orgánicos volátiles.
El factor más importante para lograr el éxito es la selección del disolvente,
el cual debe cumplir los siguientes requisitos:
Ser selectivo; esto es, disolver rápida y totalmente los componentes
odoríferos, con solo una parte mínima de materia inerte.
Tener un bajo punto de ebullición.
Ser químicamente inerte al aceite.
Evaporarse completamente sin dejar cualquier residuo odorífero.
Ser de bajo precio y de ser posible no inflamable.
3.5 Por Enflurage (Enflorado).
En el método de enflorado o enflurage, el material vegetal, generalmente
flores, es puesto en contacto con una grasa (La grasa o base consiste en
una mezcla altamente purificada de una parte de sebo y dos partes de
manteca, con 0.6% de benzoína, como conservador). La esencia, es
solubilizada en la grasa que actúa como vehículo extractor. Se obtiene
inicialmente una mezcla (concreto) de aceite esencial y grasa, la cual es
separada posteriormente por otros medios fisico-químicos. En general, se
recurre al agregado de alcohol caliente a la mezcla y su posterior
enfriamiento para separar la grasa (insoluble) y el extracto aromático
(absoluto). Esta técnica es empleada para la obtención de esencias florales
(rosa, jazmín, azahar, etc.), pero su bajo rendimiento y la difícil separación
del aceite extractor la hacen costosa. (MUÑOS, 2000)
43
FIQ”
3.6 Por Maceración
Consiste en remojar cubriendo el material con el solvente líquido y dejarlo
en remojo por un tiempo, sea frío o caliente, bastante utilizando en
productos naturales. Para los aceites, se realiza en frío y posteriormente se
destila el líquido resultante (macerado), para recuperar el producto
deseado. (AUSTIN, 1989).
3.7 Método con Fluido Supercrítico
El método de extracción con fluidos supercríticos, es de desarrollo más
reciente. El material vegetal cortado en trozos pequeños, licuado o molido,
se empaca en una cámara de acero inoxidable y se hace circular a través
de la muestra un fluido en estado supercrítico (por ejemplo CO 2), las
esencias son así solubilizadas y arrastradas y el fluido supercrítico, que
actúa como solvente extractor, se elimina por descompresión progresiva
hasta alcanzar la presión y temperatura ambiente, y finalmente se obtiene
una esencia cuyo grado de pureza depende de las condiciones de
extracción.
Aunque presenta varias ventajas como rendimiento alto, es ecológicamente
compatible, el solvente se elimina fácilmente e inclusive se puede reciclar, y
las bajas temperaturas utilizadas para la extracción no cambian
químicamente los componentes de la esencia; sin embargo, el equipo
requerido es relativamente costoso, ya que se requieren bombas de alta
presión y sistemas de extracción también resistentes a las altas presiones.
(LOCK, 1994)
3.8 Aceites Esenciales
44
FIQ”
Se denominan aceites esenciales a los productos generalmente volátiles y
olorosos, obtenidos al ser sometidos a la acción del vapor de agua y/o
solvente a ciertos tipos de vegetales u órganos animales, donde se
localizan en los llamados sacos oleíferos, están compuestos por sustancias
orgánicas. (MARREROS, 1998)
Los aceites esenciales son en su mayor parte insolubles en agua y solubles
en disolventes orgánicos, aunque una buena parte del aceite se alcanza a
disolver en agua proporcionando un intenso olor a la solución. Estos
aceites, tienen la volatilidad suficiente para destilarse intacto la mayor parte
de los casos y también son arrastrados con vapor. El color de los aceites
esenciales, varía desde color amarillo o café hasta incoloros, son
generalmente una mezcla de compuestos orgánicos. Los índices de
refracción de los aceites son altos, con un promedio de 1,5; aunque la
densidad es relativamente menor a la del agua. Estos aceites muestran una
gran variedad de actividad óptica (rotan en ambas direcciones) y
farmacológica. (BRAVERMAN 1967)
Estas cualidades de protección y atracción, se ven reflejadas en
propiedades
tales
como:
antiséptico,
antinflamatoria,
antidepresiva,
afrodisíaca y otras, presentes en mayor o menor grado en la totalidad de los
aceites. (KOBASHI, 1998)
Nombre
Fuentes
Métodos de
del Aceite
Geográficas
Producción
Almendra
California,
Amarga
Marruecos
Vapor
Parte de
la planta
utilizada
Semillas
Compon
entes
principal
es
Benzalde
hído 96-
45
FIQ”
98%,
HCN
2-
4%
Aldehído
Canela
Ceilán
Vapor
Corteza
cinámico,
eugenol
Jazmín
Francia,
Pomada
Egipto, Italia
Fría
Flores
Linalol
d-
Limón
California,
Silicia.
Limonen
Expresión
Piel
o
90%,
citral 3.5
– 5%
Florida,
Naranja
California,
Exprimido,
Dulce
área
destilación
dPiel
o 90%
Mediterránea
Rosa
Bulgaria,
Turquía
Geraniol
Vapor,
disolvente,
enflurage
Limonen
Flores
y
citronelol
75%
Tabla N°4: Principales aceites esenciales.
46
FIQ”
CAPITULO IV: CONDICIONES Y CÁLCULOS DE DISEÑO
4.1 Variables más Importantes a tomar en Cuenta en el Diseño y Construcción del
Equipo
Son aquellas variables cuyos valore sirven para determinar la cantidad de
material a emplearse en la construcción del equipo. Para el presente trabajo
se considerarán las siguientes variables de diseño y construcción:
4.1.1 Base de Cálculo y Capacidad
En el diseño se consideró un equipo de extracción cilíndrico vertical con una
capacidad base de 16.41 kg de muestra, teniéndose en cuenta que para el
tanque cilíndrico vertical, la altura debe ser mayor a su diámetro.
4.1.2 Volumen del Tanque Cilíndrico Vertical
Se determinará mediante la siguiente ecuación:
= 0.785
… (1)
4.1.3 Diámetro del Tanque Cilíndrico Vertical
Para este cálculo se estima una relación de altura diámetro como 1.43 es a
1:
á
=
= 1.43
=
1.43
1
Por lo tanto, si reemplazamos esta relación en la ecuación (1), el diámetro
del tanque cilíndrico vertical será:
47
FIQ”
= 1.111
=
1.111
… (2)
4.1.4 Altura del Tanque Cilíndrico Vertical
De la relación:
á
=
=
1.43
1
= 1.43 … (3)
4.1.5 Dimensiones del Corte de la Plancha Para la Construcción del Cilindro
Vertical
Para el desarrollo longitudinal de la plancha se aplica la siguiente ecuación:
=
… (4)
Conociendo el valor de la longitud (L tc) se puede calcular el área lateral del
tanque cilíndrico vertical ALtc mediante la ecuación:
=
… (5)
48
FIQ”
4.1.6 Volúmen del Cono del Tanque Cilíndrico Vertical
Para el valor de esta variable se ha considerado una altura igual a h =
10cm. Además se sabe que el volúmen de un cono está dado por la
ecuación:
=
1
3
ℎ
=
4.1.7 Generatriz y Ángulo Central del Cono
1
12
ℎ
… (6)
Conociendo los valores de radio y altura del cono, podemos emplear la
siguiente relación:
=
=
Donde:
+ ℎ
+ ℎ … (7)
g; generatriz.
Para calcular el angulo central α, es necesario conocer los valores de radio
y generatriz, tal como se muestra en la ecuación (7):
=
360° … (8)
4.1.8 Longitud de la Circunferencia del Cono
Conociendo el valor de radio del cono, la longitud de la circunferencia del
tanque cónico se puede calcular mediante la siguiente relación:
= 2
=
… (9)
49
FIQ”
4.1.9 Área Lateral del Cono
Conociendo los valores de radio y generatriz del cono se puede calcular el
valor del área lateral del tanque cónico, tal como se muestra en la siguiente
ecuación:
=
… (10)
4.1.10 Área del Casquete Esférico
El casquete esférico es la parte de superficie esférica limitada por un plano
secante. Para efectos de cálculo se considerará una altura de casquete
igual a hce = 5cm y se calculará mediante la relación:
=2
ℎ=
ℎ … (11)
4.1.11 Diseño Térmico del Condensador
El diseño térmico del condensador implica la determinación del área de
transferencia de calor que se requiere para enfriar el vapor de agua y el
vapor de aceite proveniente del extractor; para realizar este cálculo
utilizamos la ecuación:
=
∆
… (12)
Pero como se puede apreciar en la ecuación (12), se debe calcular de
forma necesaria el diferencial de temperaturas del equipo, ya que se trata
de un intercambiador de calor cuya eficiencia se determina en base a la
cantidad de calor cedido o ganado en el sistema. Para ello usamos la
relación:
50
FIQ”
∆ =
∆
… (13)
Donde:
∆
=
∆
− ∆
∆
ln ∆
ó ∆
=
∆
− ∆
… (14)
∆
2.3 log ∆
Finalmente, podemos calcular el volumen total de condensado a obtener
durante las extracciones con la ecuación:
=
+
… (15)
Donde:
=
… (16)
4.1.12 Pérdidas de Calor en Cuerpos no Aislados
Para ello utilizamos la ecuación:
=
2.3
2
( −
+
)
ℎ
1
… (17)
4.1.13 Carga de Calor al Sistema
=
(
−
) … (18)
4.1.14 Cálculo de la Eficiencia
51
FIQ”
(
(
=
−
−
)
100% … (19)
)
4.2 Condiciones Iniciales a Considerar en el Diseño
4.2.1 Bases de Cálculo y Capacidad
En el diseño se consideró un extractor cilíndrico vertical, tomando una
capacidad base de 16.41 kg de muestra, ya sea hierba luisa (Cymbopogon
Citratus), cáscara de naranja, etc., de densidades 0.90, 0.28 kg/L
respectivamente, que ocupa el 75% del volúmen del extractor.
Sabiendo que:
=
Obtenemos que:
=
Donde:
v
: volúmen
m
: masa o peso
ρ
: densidad
Entonces, teniendo en cuenta la capacidad base y la densidad del aceite
esencial se obtiene:
=
16.41
⁄
900
52
FIQ”
= 0.01823
≈ 18.23
Sabiendo que el volumen ocupado por la materia prima es de 18.23 litros, y
que equivale al 75% del volumen del extractor, calculamos la capacidad
volumétrica del extractor:
é
=
é
100
18.23
75
= 24.3
Finalmente, debido a que la extracción se realizará por arrastre de vapor, y
este ocupará un volúmen adicional en el equipo por su capacidad de
expansión, se consideró un 25% adicional en el volúmen final.
= 24.3 + 0.25(24.3)
= 30.38
53
FIQ”
4.3 Diseño del Extractor
4.3.1 Cálculo del Diámetro del Extractor
Para un volumen total de 30 litros (0.030 m3) y, considerando que el
extractor es de forma cilíndrica vertical, se estimó una relación Diámetro –
Altura como se muestra a continuación:
=
á
=
= 1.43
1.43
1
Aplicando la ecuación para calcular el volumen de un cuerpo cilíndrico, y
teniendo en cuenta la relación altura – diámetro anterior, calcularemos el
diámetro del extractor.
=
1.111
=
0.030
1.111
= 30
4.3.2 Cálculo de la Altura del Extractor
Con la relación establecida de H = 1.43D y el diámetro del extractor
calculado (D = 30cm) podemos obtener la altura necesaria para nuestro
componente:
54
FIQ”
= 1.43
= 42.9 ≈ 43
Por lo tanto, para fines prácticos (experimentales), el volumen total del
extractor será el siguiente:
= 0.785
= 0.785 (0.30 ) (0.43 )
= 0.03038
≈ 30
4.3.3 Cálculo de la Longitud de Circunferencia Para la Construcción del Extractor
Para calcular la longitud de circunferencia del extractor aplicaremos la
siguiente ecuación:
=
Obteniendo:
= 3.14
30.4
= 95.456
Por lo tanto la plancha de acero inoxidable debió ser cortada con
dimensiones de 95.456 cm x 43 cm.
55
FIQ”
4.3.4 Cálculo de las Especificaciones del Cono Inferior
Se llama cono de revolución al sólido generado por un triángulo rectángulo
cuando gira 360° alrededor de uno de sus catetos.
=
Donde:
g; generatriz
r; radio de la base
h; altura
Entonces, para poder calcular el área del cono de revolución se consideró
el valor de la altura igual a h = 10 cm, pero primero calculamos la generatriz
en base al teorema de Pitágoras.
=
=
+ ℎ
(15) + (10)
= 18.03
≈ 18
Con la generatriz calculada podemos obtener el valor del área de la cara
lateral del cono de revolución y el área de la base:
56
FIQ”
= 3.14
15
18
= 847.8
= 3.14
(15
)
= 706.5
Finalmente calculamos el área de la superficie cónica:
=
+
= 1554.3
Con un sector circular de r = 12.5cm y una generatriz g = 16cm calculamos
el ángulo de corte Ɵ del sector circular a utilizar para el cono de revolución.
Ɵ
2πr
Ɵ = 360
Ɵ = 300°
57
FIQ”
Por lo tanto, al momento de realizar la revolución para generar el cono
obtenemos un ángulo Ø de:
Ø = 360° − 300°
Ø = 60°
De esta forma tendremos que:
=
=
3.14
1
3
(0.30 )
12
0.1
= 2.355
= 2.355
4.3.5 Cálculo de las Especificaciones Técnicas del Casquete Esférico
4.3.5.1
Área del Casquete Esférico
El área del casquete esférico la calculamos haciendo uso de la siguiente
relación matemática:
=2
ℎ=
ℎ
Además,
ℎ =
Entonces;
=
58
FIQ”
Donde:
r; radio del cilindro.
h; altura de la zona o del casquete.
C; cuerda del arco generador del casquete.
Para el cálculo del área del casquete esférico se asumió una altura h = 5
cm, de esta forma obtenemos:
= 3.14
15
5
= 235.5
4.3.5.2
Cuerda del arco Generador del Casquete
=
Para ello hacemos uso de la relación
=
, así obtenemos:
235.5
3.14
= 8.66
Luego:
=
= 15
= 47.124
≈ 47
59
FIQ”
4.3.5.3 Diámetro del Casquete Esférico
Finalmente calculamos el diámetro del casquete con la relación:
=
De ésta ecuación obtenemos:
= 47
/3.14
= 14.97
≈ 15
4.4 Diseño del Condensador con Envolvente Multitubular
El Condensador con Envolvente Multitubular es el componente principal a
mostrar en el presente trabajo; para su diseño y construcción debemos
tener en cuenta lo siguiente:
4.4.1 Masa de Vapor que Arrastra el Aceite y Condensado
Para calcular la cantidad de vapor se toman los datos de laboratorio
obtenidos en los trabajos de investigación de aceites esenciales, como
mostramos a continuación:
-
De 150 gramos de hojas de Albahaca, se obtuvo 60 mL de condensado.
(Mendoza 1998).
De esta forma, por proporciones, calculamos el volumen de mezcla Agua –
Aceite a obtener:
60
FIQ”
=
60
16410
150
= 6564
De esta forma obtenemos 6.564 litros de volumen de mezcla Agua – Aceite.
A este volumen de mezcla lo consideraremos en una hora de operación, por
lo tanto tendremos:
= 6.564
ℎ
Como tenemos el volumen total de la mezcla a obtener, y haciendo uso de
la densidad del aceite esencial a obtener, podemos calcular el volumen del
mismo. Tomaremos la densidad del aceite esencial de hierba luisa y como
ejemplo calcularemos la proporción de este aceite presente en el total de la
mezcla.
Además, consideraremos un 0.45% de rendimiento:
Partiendo de los datos:
ma = 16410g x 0.0045 = 73.845g de aceite
ρa = 0.900 g/mL
Encontramos el volumen aceite:
=
73.845
0.900
= 82.05
61
FIQ”
Son 82.05 mL de aceite esencial que se espera obtener con el equipo
propuesto.
4.4.2 Diseño Térmico del Condensador Multitubular
El diseño térmico del condensador multitubular implica la determinación del
área de transferencia de calor que se requiere para enfriar el volumen de
vapor de arrastre proveniente del extractor. Con estas consideraciones
tenemos:
=
+
Para ello tenemos:
ρVH2O = 0.5797 g/mL (a 1atm de presión)
ρaceite = 0.900 g/mL
Entonces:
6564
=
+ 82.05
= 6481.95
Finalmente definimos 6.564 litros de volumen del condensador.
Pero para efectos de diseño se toma un 25% adicional al volumen total
calculado, obteniendo de esta manera:
= 6.564 + 0.25(6.564 )
62
FIQ”
= 8.205
4.4.3 Cálculo del Diámetro del Casco del Condensador
Para un condensador vertical se estima una relación Altura – Diámetro de
2.73 a 1.
=
á
=
= 2.73
2.73
1
Y como el condensador es cilíndrico, calculamos el diámetro haciendo uso
de la fórmula del volumen del cilindro.
=
=
2.335
0.00688
2.355
= 14.3
4.4.4 Cálculo de la altura del Casco del Condensador
Como tenemos la relación de H = 2.73D, y un diámetro calculado de 14.3
cm obtenemos una altura de 39 cm para nuestro casco.
= 2.73
63
FIQ”
= 2.73
14.3
= 39
-
Nota: Para casos de diseño se considera una eficiencia del 95% para el
casco, obteniendo de esta forma:
=
14.3
0.95
= 15
Así, obtenemos un diámetro final de 15 cm para el casco del condensador,
considerando una eficiencia de 95% del equipo.
4.4.5 Cálculo del Área de Transferencia de Calor y el Número de Tubos
En el diseño, para aplicar el procedimiento general, se distinguen dos
áreas:
-
La de Diseño o disponible.
-
La Calculada o Requerida.
Además, interviene el diferencial de temperaturas que deberá ser calculado
antes de determinar el área del equipo, así como el número de tubos.
4.4.5.1 Diferencia de Temperaturas
En la operación actual de un intercambiador de calor, la diferencia de
temperaturas es función de la geometría de la unidad y de las temperaturas
extremas.
64
FIQ”
Por lo general, la diferencia verdadera se estima a partir de la Temperatura
Media Logarítmica que viene expresada por la siguiente ecuación:
∆
=
∆
− ∆
∆
ln ∆
ó ∆
=
∆
− ∆
∆
2.3 log ∆
ΔT2 y ΔT1, son las diferencias extremas de temperaturas y dependen del
flujo en contracorriente o en paralelo.
ΔT2 = T1 – t2
ΔT1 = T2 – t1
65
FIQ”
4.4.5.1.1 Cálculo de la Diferencia de Temperaturas
Para ello utilizamos la ecuación indicada en el punto 3.3.5.1.
∆
∆
∆
=
=
∆
=
(
−
− ∆
∆
ln ∆
)− ( −
( − )
ln
( − )
)
(100 − 27) − (29 − 25)
(100 − 27)
ln
(29 − 25)
∆
= 23.75 °
4.4.5.2 Área Calculada
El área calculada es la que, como su mismo nombre indica, resulta del
cálculo realizado durante el proceso haciendo uso de la ecuación de
diseño:
=
∆
Donde:
Q, es la carga de calor (kcal/h, Btu/h)
Uo, coeficiente total Global
°
,
ΔT, diferencial de temperatura (°C, °F)
°
66
FIQ”
El área provisional exige un Coeficiente Total global que, para aspecto de
diseño en intercambiadores de calor verticales con haz de tubos
asumiremos el valor de 350
Curso de los fluidos:
°
.
- Lado Casco = Agua de caño
- Lado Tubos = Mezcla de vapor Agua – Aceite
El diferencial de temperatura es igual al deferencial de temperatura media
logarítmica: ΔT = ∆
Para ello, calculamos Q con la ecuación 18:
=
Donde:
.
.(
−
)
ω; flujo másico del fluido frío
Cpf; calor específico del agua de 10 – 200 °C. (Kern, 1999)
El agua de enfriamiento fluye a través del casco del condensador a razón
de 923.1 L/h y el calor específico del agua en el rango de temperatura
establecido es de 1 BTU/Lb.F.
Entonces obtenemos:
= 2035.09
ℎ
= 7326.324
1.00
.
(80.6 − 77 )
ℎ = 1846.2
ℎ
67
FIQ”
Por lo tanto:
=
350
1846.2
ℎ°
⁄ℎ
23.75 °
= 0.2221
4.4.5.3 Área de Diseño
El área de diseño es el área de transmisión de calor que brindan todos los
tubos de un intercambiador de calor.
Se calcula utilizando la siguiente relación:
=
Donde:
Ad, es el área de diseño (m2)
Nt, es el número de tubos del condensador
aLt, área lateral unitaria de un tubo (m 2/m)
Lt, longitud del tubo (m)
Pero antes de pasar a calcular el área de diseño, se debe calcular el
número tubos que tendrá el condensador. Para ello hacemos uso de la
misma relación utilizada para calcular el área de diseño, asumiendo que el
área disponible es igual al área requerida.
=
68
FIQ”
=
0.2221
0.015
3.14
= 12.1 ≈ 13
0.39
Finalmente obtenemos:
= 13
3.14
0.015
0.39
= 0.239
De esta manera obtenemos:
= 13
0.239
= 3.107
= 13
0.2221
= 2.887
Por lo tanto se concluye que el condensador propuesto es satisfactorio ya
que cumple con la condición para intercambiadores de calor de que el
área disponible debe ser mayor al área requerida.
69
FIQ”
CAPITULO V: CONSTRUCCIÓN E INSTALACIÓN DEL EQUIPO
5.1 Selección de Materiales
La corrosión es la causa principal del deterioro de los equipos de la
industria química. La mayoría de destrucciones pueden prevenirse
escogiendo adecuadamente los materiales dentro de la gama muy amplia
que dispone el ingeniero. Entre ellos se encuentran una gran variedad de
metales, plásticos, materiales cerámicos y pinturas.
En las plantas que operan en continuo, las pérdidas en producción debido a
deterioros por corrosión son tan costosas que justifican los materiales más
costosos. En instalaciones más sencillas, puede ser más económico
seleccionar materiales de menor costo y programar limpiezas frecuentes de
los equipos para prevenir la corrosión.
Para la selección del material a utilizar en los distintos equipos dentro de
una planta es necesario tomar en cuenta los siguientes factores:
-
Tamaño de planta
-
Condiciones de trabajo
-
Tipo de corrosión
-
Adecuada información de los materiales que se puedan escoger
-
Características frente a la corrosión
-
Cuestiones económicas
Para asegurar la solución más económica en problemas de corrosión, es
necesario estudiar el tipo de corrosión que tiene lugar y conocer las
condiciones a las que opera el equipo, tanto las normales como los posibles
casos circunstanciales; como en paradas o puestas en marcha.
70
FIQ”
No suele ser interesante económicamente diseñar una planta que esté
totalmente libre de corrosión. Velocidades de 0,1 mm/año y hasta 6 mm/año
suelen ser tolerables, dependiendo del costo de los materiales alternativos;
y del grado de contaminación que puede aceptarse. En caso de
temperaturas muy elevadas, es necesario utilizar el teflón, a pesar de su
costo muy elevado y de su difícil aplicación y procesado.
A menudo la corrosión puede ser atendida mejor cuidando pequeños
detalles en el diseño que seleccionando los materiales más resistentes y
costosos. Algunos ácidos concentrados en frío suelen transportarse en
tubos de acero al carbono, siempre que la velocidad de circulación sea
inferior a 1 m/s. Debido a ello, es mejor utilizar tuberías de acero al carbono
de diámetros grandes que de acero inoxidable de diámetros pequeños.
La corrosión por picaduras de aceros inoxidables en condensadores se
puede prevenir eliminando los restos de productos remanentes cuando no
se utiliza el equipo. Por lo general en los condensadores no se requiere
materiales sumamente resistentes a la corrosión, ya que el condensado es
un líquido de alta pureza.
El acero inoxidable AISI 304 es el más versátil y uno de los aceros
inoxidables de la serie 300. Tiene excelente propiedades para el
conformado y soldado. Se puede usar para aplicaciones de embutición
profunda, de rolado y de corte.
Tiene buenas características para la soldadura, no requiere recocido tras la
soldadura para que se desempeñe bien en una amplia gama de
condiciones corrosivas. La resistencia a la corrosión es excelente,
excediendo al tipo 302 en una amplia variedad de ambientes corrosivos
incluyendo productos de petróleo calientes o con vapores de combustión de
gases.
71
FIQ”
Tiene excelente resistencia a la corrosión en servicio intermitente hasta 870
°C y en servicio continuo hasta 925 °C. No se recomienda para uso
continuo entre 425 – 860 °C, pero se desempeña muy bien por debajo y por
encima de ese rango.
El uso que se le da a este material es muy variado; se destacan los equipos
para procesamiento de alimentos, enfriadores de leche, intercambiadores
de
calor,
contenedores
de
productos
químicos,
tanques
para
almacenamiento de vinos y cervezas así como también para partes para
extintores de fuego.
El acero inoxidable AISI 304 presenta las siguientes características:
-
Norma de Construcción
: ASTM A 276
-
Propiedades Mecánicas
: Resistencia a la fluencia 310 MPa (45 KSI)
Resistencia Máxima 620 MPa (90 KSI)
Elongación 30% (en 50 mm)
Reducción de área 40%
Módulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI)
-
Propiedades Físicas
: Densidad 7.8 g/cm3 (0.28 lb/in3)
-
Propiedades Químicas
: 0.08 % C mín
2.00 % Mn
1.00 % Si
18.0 – 20.0 % Cr
8.0 – 10.5 % Ni
0.045 % P
0.03 % S
Después de seleccionar los materiales para el equipo, hay que asegurarse
que estos han sido fabricados con las especificaciones correctas. Las
72
FIQ”
tuberías soldadas son menos costosas que las sin costuras, pero en
situaciones corrosivas hay que especificar el tratamiento térmico a que
debe someterse el material después de una soldadura. Es indispensable
adjuntar un peligro de condiciones detallada para cada caso.
Con el objeto de revisar si los materiales de distintos equipos e
instalaciones son los correctos, es aconsejable disponer de una serie de
pruebas de fácil aplicación in situ. Entre ellos se encuentran procedimientos
químicos, chispa, mecánicos, termoeléctricos, entre otros.
Los procedimientos químicos de evaluación de materiales incluyen todas
aquellas pruebas en las que se toman en consideración las posibles
sustancias que podrían reaccionar con el material en cuestión y reducir su
vida útil.
Los métodos mecánicos de evaluación de materiales son aquellos en los
que el material es puesto a prueba bajo una serie de tensiones mecánicas,
ya sea por el proceso o bien por los distintos componentes del equipo. En
general, el equipo de destilación en su totalidad, se encuentra sometido al
poder corrosivo del vapor de agua, de esta forma se determinó la necesidad
de construirlo con un material con alta resistencia a la corrosión.
Los métodos termoeléctricos son aquellos en los que el material se ve
sometido a corriente eléctrica y a temperaturas elevadas. El fin de los
métodos termoeléctricos es evaluar el grado expansión que tiene el material
a temperaturas evaluadas, así como su resistencia al choque térmico. Por
lo que estas pruebas es aconsejable realizarla antes de la instalación del
equipo; con el fin de evitar fallas durante su funcionamiento.
Basado en los procedimientos anteriormente detallados es conveniente
utilizar métodos alternativos para disminuir la velocidad de corrosión del
73
FIQ”
equipo. Entre estos métodos se puede mencionar el uso de recubrimientos
o pinturas especiales que aíslen la superficie metálica y eviten la corrosión.
Otro de los métodos con amplia difusión en la actualidad es la protección
catódica, la cual consiste en conectar un ánodo de sacrificio conectado a la
pierna del destilador y del condensador, de tal manera que ambos
componentes del equipo funcionen como cátodo y ceda su materia oxidada
a la pieza metálica a la que está conectada.
La protección catódica no elimina la corrosión, éste remueve la corrosión de
la estructura a ser protegida y la concentra en un punto donde se descarga
la corriente. Para su funcionamiento práctico requiere de un electrodo
auxiliar, una fuente de corriente continua cuyo terminal positivo se conecta
al electrodo auxiliar y el terminal negativo a la estructura a proteger,
fluyendo la corriente desde el electrodo a través del electrólito llegando a la
estructura. Influyen en los detalles de diseño y construcción parámetro de
geometría y tamaño de la estructura y de los ánodos, la resistividad del
medio electrólito, la fuente de corriente.
74
FIQ”
5.2 Materiales Empleados
-
Una plancha de Acero Inoxidable AISI 304 (2.4 m x 1.2 m x 2.0 mm).
-
Dos kilos de soldadura para acero inoxidable 3/32.
-
Un tubo de acero inoxidable de 2” de diámetro.
-
Un tubo de acero inoxidable de ½” de diámetro.
-
Un tubo de acero inoxidable de ¼” de diámetro.
-
Tres válvulas de acero inoxidable de ½” de diámetro.
-
Dos codos de acero inoxidable de 1” de diámetro.
-
Dos codos de acero inoxidable de ½” de diámetro.
-
Dos uniones universales de 2” de embone.
-
Dos uniones universales de 1” de embone.
-
Dos niples de ½” de diámetro y 4 cm de longitud.
-
Dos niples de 1” de diámetro y 4 cm de longitud.
-
Cuatro pliegos de lija para fierro.
-
Pegamento para metal.
-
Pernos de 5/16” x 1.
5.3 Descripción y Especificaciones de los Componentes Principales del Equipo
5.3.1 Tanque Cilíndrico Vertical: Características Técnicas
-
Material
: Acero Inoxidable AISI 304
-
Diámetro
: 0.30 m
-
Altura
: 0.40 m
-
Capacidad
: 30 litros
-
Espesor
: 2 mm
75
FIQ”
5.3.2 Casquete Esférico: Características Técnicas
-
Material
-
Diámetro
: 0.15 m
-
Altura
: 0.05 m
-
Espesor
: 2 mm
5.3.3 Condensador con Envolvente Multitubular: Características Técnicas
-
Material
-
Diámetro del Casco
: 0.15 m
-
Diámetro de Tubos
: 0.015 m
-
Altura de los Tubos
: 0.39 m
-
Número de Tubos
: 13
5.4 Vistas Principales del Equipo
Para tener una mejor visión del significado de las variables de diseño y
construcción, es conveniente observar las figuras del diseño de equipo.
En estas figuras se pueden ver claramente la representación geométrica de
cada una de las variables de diseño; así mismo, se observan las áreas del
material utilizado para la construcción del tanque cilíndrico vertical, del cono
de revolución y del casquete esférico, comparándose todos éstas secciones
con el área de la plancha de acero inoxidable.
76
Tesis: “Diseño, Construcción e Instalación de un Condensador con Envolvente Multitubular Para la Obtención de Aceites Esenciales Para el Laboratorio de
Procesos y Operaciones Unitarias de la FIQ”
Fig. (1): Áreas del material para la construcción del Tk cilíndrico vertical, el cono de revolución y el casquete
esférico.
b
=
a
.
hc
77
ℎ
FIQ”
Al Rolar y Soldar adecuadamente las Áreas que se muestran en la Fig. (1),
se debe obtener el tanque cilíndrico
vertical, con su cono de revolución y
casquete
esférico,
tal
como
se
muestra en la Fig. (2):
Dtc
ℎ
hc
Casquete
hc
Casquete Esférico
Tanque
Cilíndrico
Vertical
ℎ
Fig. (2)
Cono de revolución
78
Tesis: “Diseño, Construcción e Instalación de un Condensador con Envolvente Multitubular Para la Obtención de Aceites Esenciales Para el
Laboratorio de Procesos y Operaciones Unitarias de la FIQ”
Vista Isométrica del Condensador y Equipos Complementarios
79
Vista en Planta del Condensador y Equipos Complementarios
80
FIQ”
CAPITULO VI: EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE CONTROL DEL
EQUIPO
El equipo en su totalidad opera bajo las siguientes condiciones:
Temperatura de Vapor
: 100 °C
Presión
: 1.1 atm
Temperatura Agua de Enfriamiento
: 25 °C
Volumen de condensado
: 1750 mL/h
6.1 Descripción del Funcionamiento del Equipo
El equipo debe cargarse con la cantidad de materia prima a utilizar durante
la operación, previo pesado de la misma. Una vez cargada la materia prima
en el extractor, se acoplan el calderín y el condensador con envolvente
multitubular, asegurándonos de que se encuentren perfectamente ajustados
al extractor con la finalidad de evitar fugas de vapor cuando se dé inicio al
funcionamiento; de la misma forma, debemos asegurarnos que el casquete
del extractor este completamente ajustado.
Con el equipo ensamblado adecuadamente, se debe conectar la toma de
agua al condensador (entrada y salida); así mismo se debe acoplar la toma
para condensados.
Una vez calentada el agua en el calderín, el vapor generado entra al
extractor a 100 °C arrastrando el aceite esencial de la materia prima que se
está utilizando; el vapor viaja por la tubería de acero inoxidable de 1 ½” que
se conecta al condensador. Cuando el vapor entra al condensador viaja a
través de los tubos y es enfriado por agua que viaja a través del casco con
flujo contracorriente.
81
FIQ”
El condensado extraído es recolectado para su posterior separación por
decantación, obteniendo, de esta manera, el aceite esencial.
6.1.1 Evaluación del Condensador
Para poder evaluar el funcionamiento del condensador en función de su
rendimiento en base al diferencial de temperatura de entrada y salida
del vapor, se realizaron pruebas preliminares y otras determinativas
extrayendo aceite esencial de diferentes materias primas conocidas,
tales como hojas de hierba Luisa y cáscaras de naranja secas y frescas,
con las cuales se obtuvieron porcentajes diferentes de extracción que se
detallan en las tablas 1 y 2.
6.1.2 Balance de Energía
VAPOR AGUA – ACEITE
AGUA ENFRIAMIENTO
T1 = 100 °C
t2 = 27 °C
CONDENSADOR
AGUA ENFRIAMIENTO
COND. AGUA – ACEITE
t1 = 25 °C
T2 = 29 °C
∆
∆
=
(
=
∆
−
− ∆
∆
ln ∆
)− ( −
( − )
ln
( − )
)
82
FIQ”
∆
=
(100 − 27) − (29 − 25)
(100 − 27)
ln
(29 − 25)
∆
6.1.2.1
= 23.75 °
En el Calderín
6.1.2.1.1 Calor perdido por las Paredes del Calderín
Puesto que el calderín no se encuentra aislado, la pérdida de calor se
calculó con la ecuación 17. El espesor del acero inoxidable es de 0.2cm, de
conductividad térmica K = 43.9 Kcal / m hºC. (Ocon-Tojo) Tabla 4.
=
2.3
2
(
−
+
)
ℎ
1
Ts = 100 °C
Ta =25 °C
K = 43.9 kcal / h m °C
D1 = 25.2cm
D2 = 25 cm
ha = 13.18 kcal / h m2 °C (ha = coeficiente de transferencia de calor por
convección y radiación – Kern 1999).
= 782.34
ℎ.
Por lo tanto, el calor total perdido será:
83
FIQ”
=
= 782.34
0.40
ℎ.
1ℎ
′ = 312
6.1.2.1.2 Calor necesario para evaporación del agua en el calderín
Para obtener el calor necesario en el calentamiento del agua en el calderín
se utilizó las ecuaciones (18) y (19).
=
∆
=
Sabiendo que, Cp = 1.008 para la variación de temperatura de 30 a 100 °C
(VIAN & OCON, 1972) Tabla 5
= 10
1.008
°
(100 − 25)°
= 756
Además, λa = 540 Kcal/Kg del agua a 100 °C (VIAN & OCON, 1972) Tabla
5.
= 10
540
84
FIQ”
= 5400
Finalmente, la cantidad de calor necesario para evaporar el agua es de:
°=
+
° = 6156
85
FIQ”
6.1.2.1.3 Calor Perdido en la Tubería de ½”
Puesto que la tubería no se encuentra aislada, la pérdida de calor se
calculó con la ecuación 17. El espesor del acero naval es de 0.2cm, de
=
(
2.3
2
−
+
)
ℎ
1
Ts = 101 °C
Ta =24 °C
K = 43.9 kcal / h m °C
D1 = 1.47cm
D2 = 1.27 cm
convección y radiación – Kern 1999)
= 46.85
ℎ.
=
= 46.85
ℎ.
0.90
1ℎ
′′ = 42.17
86
FIQ”
6.1.2.1.4 Calor Perdido en el Casquete Esférico
Puesto que el casquete no se encuentra aislado, la pérdida de calor se
=
(
2.3
2
−
+
)
ℎ
1
Ts = 101 °C
Ta =24 °C
K = 43.9 kcal / h m °C
D1 = 15.2cm
D2 = 15 cm
= 484.47
ℎ.
=
= 484.47
ℎ.
0.05
1ℎ
′′′ = 24.22
87
FIQ”
6.1.2.1.5 Calor Perdido en la Tubería de 2”
Puesto que la tubería no se encuentra aislada, la pérdida de calor se
=
(
2.3
2
−
+
)
ℎ
1
Ts = 101 °C
Ta =24 °C
K = 43.9 kcal / h m °C
D1 = 5.28cm
D2 = 5.08 cm
= 168.29
ℎ.
=
= 168.29
ℎ.
1.1
1ℎ
′′′′ = 185.12
88
FIQ”
6.1.2.1.6 Calor Perdido en las Paredes del Extractor
Puesto que el casquete no se encuentra aislado, la pérdida de calor se
=
(
2.3
2
−
+
)
ℎ
1
Ts = 101 °C
Ta =24 °C
K = 43.9 kcal / h m °C
D1 = 30.2cm
D2 = 30 cm
= 962.57
ℎ.
=
= 962.57
ℎ.
0.40
1ℎ
′′′′′ = 385.03
89
FIQ”
6.1.2.1.7 Calor Total
Es la sumatoria de los calores sensible y latente, así como de los calores
perdidos:
=
+ °+
+
+ ´´´´ + ′′′′′
= 7104.54
90
FIQ”
6.2 Ensayos y Pruebas de Funcionamiento del Equipo
Se realizaron tres (03) pruebas de funcionamiento del equipo condensador
multitubular, en el cual se evaluó el diferencial de temperatura a la entrada
y salida del equipo de ambos fluidos (vapor-condensado y agua de
enfriamiento), con la finalidad de determinar los parámetros óptimos de
operación. (Ver Anexos: Cuadro N°1)
6.3 Análisis de los Resultados Obtenidos
Durante cada prueba de funcionamiento se operó el equipo durante una
hora de tiempo límite, anotando los datos de temperatura de entrada y
salida de ambos fluidos, tiempo de vaporización del agua, flujo de agua al
condensador y el peso de materia prima utilizada.
Con los datos anotados, se procedió a calcular el diferencial de temperatura
experimental, encontrándose un ΔT de 23.75 °C, en función de las
temperaturas del fluido caliente y el fluido frío (el fluido caliente entró al
sistema a una temperatura de 100 °C y salió del mismo a una temperatura
de 29 °C. En el caso del fluido frio, entró al sistema a 25 °C y salió a 27 °C).
Los resultados obtenidos durante las pruebas se muestran en los cuadros
N° 1 y 2.
91
FIQ”
6.3.1 Cálculo de la Eficiencia del Condensador
Para ello utilizamos la ecuación 19:
=
=
(
(
−
−
(100 − 29)°
(100 − 25)°
)
100
)
100%
= 94.67%
En función de la cantidad de Aceite Esencial Obtenido:
=
100
Peso de Aceite Esencial = Volúmen/Densidad = 24
=
26.67
6000
/ 0.9
= 26.67
100%
= 0.44%
92
FIQ”
6.4 Determinación de las Condiciones Óptimas (Parámetros) de Funcionamiento
Presión de Funcionamiento
: 1 atm
Temperatura de entrada del Vapor
: 100 °C
Temperatura de Salida del Condensado
: 29 °C
Caudal del Agua de Enfriamiento
: 15.385 L/min
Temperatura del Agua de Enfriamiento (entrada)
: 25 °C (O considerar
Temperatura Ambiente).
Flujo en el Equipo del Agua de Enfriamiento
: Contracorriente.
Tiempo de Operación
: 1 Hora
6.5 Otro Usos y Aplicaciones
El equipo diseñado y construido en esta tesis, es un equipo versátil, ya que
no solo pude ser aplicado a la extracción de aceites esenciales, sino que
también pudiera emplearse para la extracción de alcohol a partir de jugo de
caña, siempre y cuando se adapte correctamente a un extractor diseñado
para esos fines.
Cabe señalar que el equipo en mención no sólo puede usarse en flujo
contracorriente, sino que, también, haciendo la conexión de entrada de
agua conveniente, puede usarse con flujo paralelo con el vapor, pudiéndose
determinar eficiencias con ambos flujos.
93
FIQ”
6.6 Manual de Instrucción para el Funcionamiento del Condensador con
Envolvente Multitubular
El equipo es un condensador con envolvente multitubular para obtener
aceites esenciales que se encuentra conectado a un extractor, que opera
por arrastre con vapor de agua, producida en su calderín conectado en la
parte inferior. Antes de cada prueba, verificar el estado del equipo, como
son las conexiones de las abrazaderas, la limpieza, etc., esencial para el
buen funcionamiento de éste, una vez hecho esto se encuentra listo para la
prueba en blanco.
En caso de funcionamiento continuo y con la misma materia prima, la
prueba en blanco no es necesaria.
Prueba en Blanco
Colocar agua en el calderín por medio del tapón de abastecimiento al
sistema, con un volumen aproximado de 10 lt. Cerrar el tapón
adecuadamente para evitar fugas de vapor. Luego encender la fuente de
calor (cocina industrial a gas), para empezar el calentamiento y la corrida en
blanco por aproximadamente 30 minutos, tiempo suficiente para eliminar los
trazos de productos u olores que quedaron impregnados de anteriores
extracciones.
Una vez pasado el tiempo suficiente de la prueba en blanco, apagar la
fuente de calor y dejar enfriar un tiempo prudencial, mientras se descarga el
calderin y se prepara la carga de material a extraer, posteriormente
destaparlo quedando listo para cargarlo con la materia prima.
94
FIQ”
Carga de Material
Antes de colocar la muestra en la canasta, debe ser acondicionada (cortada
o triturada según su naturaleza, por ejemplo la hierba luisa debe cortarse
más grande que el tamaño de los agujeros de la canastilla, las cáscaras
cortar en trozos de aproximadamente 2 cm 2).
Acondicionamiento de materia prima (hojas).
Para cargar debe sacarse la canasta del equipo, abriendo la tapa superior y
tirando hacia fuera la canasta (6 a 16 Kg., según la naturaleza de la materia
prima). Luego de completado la carga, se coloca la canasta dentro del
extractor y se sella bien la tapa, con los pernos y empaquetadura de
seguridad antes de proseguir.
Carga de la materia prima
95
FIQ”
Puesta en Operación
Luego de cargar la muestra a extraer se procede a llenar el calderín como
se indicó anteriormente pero esta vez un volumen de 13 litros, después de
llenado del calderín se cierra correctamente el tapón de abastecimiento.
Verificar la válvula de drenado se encuentre bloqueada de tal forma que no
exista perdida de calor a causa de esta. Durante el funcionamiento drenar
cada 15 minutos aproximadamente para evitar inundación por condensado
en el sistema.
Luego se procede a llenar con agua el condensador por medio de la llave
de abastecimiento de la red pública, graduando la salida para garantizar la
eficiencia del condensador.
Terminando la carga de agua (calderín y condensador) y materia prima, se
procede a colocar y encender la fuente de energía calorífica (cocina
industrial a gas).
Esperar a que comience la ebullición, (entre 30-45 minutos) y anotar el
punto de burbuja (cerca de 96 ºC) que es cuando empieza a salir las
primeras gotas por el condensador.
Luego se recoge el producto hasta que se considera que ya no sale aceite,
variando según la materia prima.
Durante la operación debe revisar continuamente que el condensado salga
totalmente frío y que la pera de decantación no se desborde.
96
FIQ”
Terminando la extracción (según el punto 4), se apaga la fuente de calor y
luego de unos minutos, desconectar la alimentación del condensador, dejar
enfriar el tiempo necesario.
Pasando un tiempo prudencial 30 min, debe descargarse primero el
calderín, luego abrir la tapa superior y sacar la canasta que contiene la
muestra, para que enfríe y sea colocada como desperdicio. Después de
eliminado el residuo, lavar la canastilla, secarlo y guardarlo. También el
equipo debe ser lavado.
En caso de cambiar de materia prima, se debe hacer una corrida de agua,
que permita una buena limpieza del equipo, en especial de la descarga de
vapor.
6.6 Aspectos de Seguridad e Higiene Industrial
La limpieza del equipo es muy esencial, ya que después de cada operación
todo el equipo necesita ser lavado, para tal caso se hace una corrida con
agua por espacio de unos 30 minutos después de que empiece a hervir el
agua, para eliminar los olores de la extracción anterior, ya que este queda
siempre impregnado en partes del equipo y la tubería.
Esperar al menos unos 30 minutos de enfriado el equipo para hacer la
limpieza, drenando el calderín con cuidado puesto que el tapón está
caliente.
Verificar las empaquetaduras y las abrazaderas que conectan las partes del
equipo estén bien conectadas y ajustadas para evitar fugas de vapor.
Mantenerse a una distancia prudencial del equipo ya que no se encuentra
aislado y se puede sufrir quemaduras.
97
FIQ”
Usar zapatos de seguridad, guantes para altas temperatura, protección
visual y ropa de seguridad (Mandil).
98
FIQ”
CAPÍTULO VII: ANÁLISIS DE COSTOS
7.1 Costos De Diseño
Para determinar los costos de diseño, se considera el 15% del costo de los
materiales de construcción (Díaz et. al. 1992). (Tabla nº 08)
Costo de diseño = S/. 1483.00 (0.15) = S/. 222.45
Costos De Materiales
Tabla nº 08: Cantidad y costo de materiales
PRECIO
Nº
ARTÍCULOS
TOTAL
(S/.)
1
Plancha de Acero Inoxidable AISI 304 (2.4 m x
1.2 m x 2.0 mm).
367.50
2
Kg. De soldadura para acero inoxidable 3/32.
140.00
1
Tubo de acero inoxidable de 4” de diámetro.
215.00
1
Tubo de acero inoxidable de 2” de diámetro.
112.00
1
Tubo de acero inoxidable de ½” de diámetro.
54.00
1
Tubo de acero inoxidable de ¼” de diámetro.
47.00
3
Válvulas de acero inoxidable de ½” de
diámetro.
81.00
2
Codos de acero inoxidable de 1” de diámetro.
10.00
2
Codos de acero inoxidable de ½” de diámetro.
8.00
2
Uniones universales de 2” de embone.
8.00
2
Uniones universales de 1” de embone.
6.00
99
FIQ”
2
Niples de ½” de diámetro y 4 cm de longitud.
10.00
2
Niples de 1” de diámetro y 4 cm de longitud.
20.00
4
Lija para fierro.
2.00
1
Pegamento para metal.
10.00
24
Pernos de 5/16” x 1.
24.00
1
Pera de decantación
127.00
TOTAL
1483.00
Fuente: Proyecto
7.2 Costos de Construcción e Instalación
En la construcción del equipo se considerará el pago de un maestro
soldador y su ayudante que fue de S/. 1150.00
Los costos de instalación representan un 10% de los costos totales de los
materiales empleados en la construcción (Díaz, Juan et. al. 1992)
Costos de instalación = S/. (1 483.00 x 0.10) = S/. 148.30
Total de los costos de construcción e instalación = S/. 1298.30
100
FIQ”
Costos de Ensayos y Pruebas de Funcionamiento
Tabla nº 09: Costos de pruebas de funcionamiento
Producto
Cáscaras de
naranja
Hierba luisa
Costos
(Kg.)
(S/)
11 Kg.
5.00
3
6 Kg.
11.50
2
Sub totales
Total
Horas
Cantidad
de
operación
(h)
5.00
S/. 16.50
Fuente: Elaboración propia.
Se realizaron 03 corridas de cada materia prima. (Tabla nº 09)
Entonces:
Total = 16.50 x 3 = S/. 49.50
101
FIQ”
Tabla nº 10: Costos varios
Producto
Cantidad
Costo
S/.
Transporte
30.00
agua
3.98 m3
Gas
1 balon
Total
S/. 86.00
S/.
4.00
S/.
52.00
Fuente: proyecto
7.3 Costo Total
Es la suma total de los costos del material, de los costos de operación y de
otros gastos.
Costo total = costo de diseño + costo material + costo de construcción e
instalación + costo operación + costos varios.
Costo total = S/. (222.45 + 1 483.00 + 1298.30 + 49.5 + 86.00)
Costo total = S/. 3139.25
102
FIQ”
RESULTADOS Y DISCUSIONES
Los más importantes logros del equipo motivo de esta tesis, con referencia al
equipo de SALAS & LOPEZ (2006), son su rendimiento, versatilidad y
funcionalidad, que a continuación se detallan.
Diseño
Construido de Acero inoxidable AISI 304, tiene un sello hermético que cuenta con
8 pernos de 5/8” tanto en la parte superior como inferior .el cual evita la fuga del
vapor saturado y del condesado, cuenta con 13 tubos de ½” de diámetro y 0.39 m
de longitud, cuenta con entrada y salida de agua de enfriamiento laterales de 5/8”
de diámetro. El empleo de un sistema generador de vapor independiente (calderin)
permite el uso de fuentes de energía barata y de fácil acceso en la zona (gas, leña
y/o carbón).
SALAS & LOPEZ (2006) diseñaron un equipo portátil de extracción de aceites
esenciales por arrastre de vapor, cuyo sistema de sellado hermético cuenta con
bisagra y sistema de auto clave, el cual evita la fuga del vapor saturado y el aceite
esencial. El diseño portátil de este equipo permite abaratar costos puesto que la
extracción se realiza tanto en el laboratorio de procesos unitarios como en el
campo.
Construcción
La importancia en la construcción de un equipo condensador, radica en el uso de
acero inoxidable, ya que este material es resistente a la corrosión por humedad, y
a su vez garantiza un producto libre de impurezas. Al contar con 13 tubos
verticales reduce en gran cantidad la temperatura del condensado obteniendo un
producto final a temperatura ambiente.
103
FIQ”
SALAS & LOPEZ (2006) quienes utilizaron un condensador, según diseño, consta
de dos partes, carcasa (de acero al carbón tipo naval) y serpentín (de cobre); es
de forma cilíndrica y está colocado en posición vertical donde se obtuvo
condensado a 50 °C, demostrándose así que la eficiencia del condensador es
menor a la de nuestro equipo.
Instalación
La versatilidad en este equipo, se cimienta en que el equipo principal que es el
condensador y los complementarios (extractor y calderín), esta hechas de una
sola base desmontable que facilita su acondicionamiento en cualquier lugar que
tenga una fluida toma de agua. SALAS & LOPEZ (2006), instalaron un equipo que
las partes (extractor y calderín) están colocadas en un armazón, edificadas por
tubos de fierro galvanizado y el condensador es un equipo aparte que está hecho
de Acero al carbón tipo naval, que necesita de un lugar amplio para su
funcionamiento.
Eficiencia
En el caso de SALAS & LOPEZ (2006), el rendimiento alcanzado por su equipo
está entre 68 - 69% en base a la variación de temperatura del vapor a condensar.
Comparando con nuestro equipo, el rendimiento es de 94.67%, ya que al tener 13
tubos brinda mayor superficie de contacto para condensar el vapor.
104
FIQ”
CONCLUSIONES
-
Se efectuaron los cálculos de diseño para la construcción del condensador
con envolvente multitubular como se muestra en el capítulo 4, obteniendo
especificaciones de 0.15m de diámetro, 0.39m de altura, 13 tubos de ½” de
diámetro, a través de los cuales fluye el vapor a condensar con el equipo y
tubos laterales de 5/8” de diámetro para la entrada y salida del agua de
enfriamiento al casco del condensador.
-
Se seleccionó el Acero Inoxidable AISI 304, debido a su elevado nivel de
resistencia a la corrosión y a altas temperaturas (hasta 925 °C) en uso
continuo, y demás características especificadas en el capítulo 5.1.
-
Se construyó en base a los cálculos de diseño realizados en el capítulo 4 y
emplearon
los
materiales
seleccionados
en
el
capítulo
5,
con
especificaciones técnicas de seguridad y una eficiencia de 94.67% para
garantizar un óptimo funcionamiento del equipo durante su operación.
-
Se determinó los parámetros adecuados de operación y funcionamiento del
equipo, como se muestran en el capítulo 6.4.
-
Se elaboró el manual de instrucción de funcionamiento del equipo como se
muestra en el capitulo 6.6.
105
FIQ”
RECOMENDACIONES
Durante la operación:
-
Verifique que no existan fugas de vapor en el sistema para evitar mayores
pérdidas de calor y garantizar un óptimo funcionamiento del condensador.
-
Evitar llenar el calderín a su máxima capacidad ya que al momento de la
ebullición, esta se desplazará hasta entrar al extractor, incrementando el
tiempo de vaporización del sistema.
-
Utilizar siempre los equipos de protección adecuados para la operación, ya
que se trabaja con superficies y fluidos a elevadas temperaturas.
-
Trabajar con el Sistema Abierto, para evitar presurizar el sistema por
encima de la presión de Diseño.
Para el Equipo:
-
Evaluar la posibilidad de instalación de aislantes térmicos, para minimizar el
tiempo de vaporización del sistema.
-
Instalar
equipos
de
medición
digitales,
tales
como
manómetros,
termocuplas, etc.
-
Evaluar la posibilidad de automatizar el equipo.
106
FIQ”
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
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109
FIQ”
ANEXOS
Cuadro N°1. Resultados obtenidos durante las corridas de prueba.
M.P
T
T
Eficiencia
Volumen
Tiempo
Aceite
Entrada
Salida
(%)
Condensado
Operación
Obtenido
(°C)
(°C)
(mL)
(h)
(mL)
101
29
96.00
1420
1
25
100
30
93.33
1300
1
22
100
29
94.67
1750
1
24
Cáscara
de
Naranja
Seca
Cáscara
de
Naranja
Fresca
Hierba
Luisa
Fresca
110
FIQ”
Figura A:
111
FIQ”
Cuadro N° 2
112
FIQ”
113
Ensamblaje y Despiece del Equipo
114
115
116
FIQ”
117
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Pruebas de Funcionamiento
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TESIS: Diseño, Construcción e Instalación de un Condensador con

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