TEMA
‘‘PROYECTO SEGUNDO PARCIAL INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CORAZA Y TUBOS USADO EN LA INDUSTRIA FARMACEUTICA”
INTRODUCCION
Los intercambiadores de calor exhiben una
diversidad de diseños y estructuras, ajustándose a los requisitos particulares
de cada situación. Algunos de los formatos más frecuentes abarcan
intercambiadores de placas, tubos, coraza y tubos, serpentines y enfriadores de
aire, cada uno con sus propias particularidades y beneficios distintivos. Estos
dispositivos funcionan según distintos mecanismos de transferencia de calor,
como la conducción, convección y radiación, asegurando un desempeño térmico
óptimo.
En la industria farmacéutica, los
intercambiadores de calor de tubos y coraza son componentes esenciales en los
procesos de transferencia de calor. Estos intercambiadores constan de un haz de
tubos a través del cual circula un fluido caliente o frío, y una carcasa que
envuelve a los tubos y por la cual circula el otro fluido para que se produzca
el intercambio térmico.
La versatilidad de los intercambiadores de calor de tubos y coraza los hace ideales para ser utilizados en la industria farmacéutica, donde la precisión en el control de la temperatura es crucial para garantizar la calidad y eficacia de los productos. Estos intercambiadores se emplean en diversas aplicaciones, como la refrigeración de reactores, la esterilización de equipos y materias primas, y el calentamiento de fluidos en diferentes etapas del proceso de producción.
Gracias a su diseño eficiente y su capacidad para manejar una amplia gama de viscosidades y temperaturas, los intercambiadores de calor de tubos y coraza contribuyen significativamente a la optimización de los procesos en la industria farmacéutica, garantizando la seguridad y la calidad de los productos finales.
El intercambiador de calor de coraza y tubos
consiste en un conjunto de tubos dispuestos en el interior de una carcasa
cilíndrica. Un fluido circula a través de los tubos, mientras que otro fluido
fluye por el espacio entre los tubos y la coraza. Este diseño permite una
eficiente transferencia de calor entre los fluidos sin que estos se mezclen,
garantizando así la integridad y calidad del producto alimenticio.
El propósito principal de este proyecto es investigar a fondo las necesidades específicas de la industria farmacéutica en cuanto a transferencia de calor, diseñar un sistema de intercambiador de calor a medida que cumpla con dichas exigencias y realizar los cálculos matemáticos precisos para garantizar su eficacia y optimización. Este proyecto tiene como objetivo final mejorar los procesos de producción y garantizar la calidad y seguridad de los productos farmacéuticos mediante la implementación de un sistema de intercambiador de calor eficiente y adaptado a las necesidades particulares de la industria.
Con el respaldo del Ing. Jouber Azua nos embarcaremos en la realización de este proyecto con el propósito de investigar a fondo las exigencias específicas de la transferencia de calor en la industria farmacéutica. A través de una colaboración estrecha con la cátedra, nos esforzaremos por diseñar un sistema de intercambiador de calor a medida que cumpla con los más altos estándares de eficacia y optimización. La meta final de este proyecto es mejorar los procesos de producción, garantizando la calidad y seguridad de los productos alimenticios a través de un enfoque riguroso y adaptativo respaldado por la experiencia académica y la orientación del docente.
Justificación
En la industria farmacéutica, la transferencia de calor desempeña un papel fundamental en una amplia gama de procesos, desde la esterilización de equipos y materiales hasta la producción de medicamentos y productos farmacéuticos. Garantizar una transferencia de calor eficiente y controlada es crucial para mantener la calidad, la eficacia y la seguridad de los productos farmacéuticos.
El uso de intercambiadores de calor de tubos y coraza diseñados específicamente para las necesidades de la industria farmacéutica permite optimizar los procesos de producción al garantizar un control preciso de la temperatura durante las diversas etapas de fabricación. Estos intercambiadores ayudan a prevenir la contaminación, la degradación de los productos sensibles al calor y a mantener las condiciones estériles necesarias para la fabricación farmacéutica.
Fundamentos Teóricos
Intercambiador de calor
Dispositivo que permite la transferencia de
calor entre dos fluidos, sin que se mezclen entre sí.
Operaciones unitarias
Una operación unitaria se define como un área
del proceso o equipo donde se incorporan materiales, insumos o materias primas
y ocurre una función determinada ya sean actividades básicas que forman parte
del proceso (Rojas, 2014).
Transferencia de calor
Proceso mediante el cual la energía térmica se
mueve de un lugar a otro, buscando el equilibrio de temperaturas.
Convección
Tipo de transferencia de calor que ocurre por
el movimiento de fluidos (líquidos o gases).
Superficie de intercambio
Área específica de un intercambiador de calor
donde ocurre el contacto entre los fluidos.
Coeficiente de transferencia de calor
Valor que representa la capacidad del
intercambiador para transferir calor entre los fluidos.
Temperatura de entrada y salida
Temperaturas del fluido caliente y frío al
ingresar y salir del intercambiador.
Fluidos calientes y frío
Los
fluidos que ceden y absorben calor, respectivamente, en el proceso de
intercambio.
Teorías de calor
El estudio de la transferencia de calor se
facilita grandemente mediante una cabal comprensión de la naturaleza del calor.
Sin embargo, esta es una ventaja que no está fácilmente disponible para
estudiantes de transferencia de calor, lo que ha impedido que una teoría simple
las cubra a todas ellas. Las leyes que pueden aplicarse a transiciones de masa
pueden ser inaplicables a transiciones moleculares o atómicas, y aquellas que
son aplicables a las bajas temperaturas pueden no serlo a las temperaturas
altas (Hernández, 2017).
Termodinámica
Según (Planas, 2016) la termodinámica es la
rama de la física que estudia los efectos de los cambios de temperatura,
presión y volumen de un sistema físico (un material, un líquido, un conjunto de
cuerpos, etc.).
Intercambiador de calor
Los intercambiadores de calor son dispositivos
utilizados para transferir energía térmica de un fluido a otro. Los
intercambiadores de calor tienen un uso generalizado en la generación de
energía, procesamiento químico, refrigeración de componentes electrónicos, aire
acondicionado, refrigeración y aplicaciones automotrices. Los enfriadores y
condensadores en centrales térmicas son ejemplos de grandes intercambiadores de
calor industriales
Las principales razones por las que se
utilizan los intercambiadores de calor son:
•
Calentar un fluido frío mediante un fluido con mayor
temperatura.
•
Reducir la temperatura de un fluido mediante un fluido con
menor temperatura.
•
Condensar un fluido en estado gaseoso por medio de un fluido
frio.
•
Llevar al punto de ebullición a un fluido mientras se
condensa un fluido gaseoso con mayor temperatura.
Flujo en contracorriente
Se presenta contracorriente cuando los dos
fluidos fluyen en la misma dirección, pero en sentido opuesto. Cada uno de los
fluidos entra al intercambiador de calor por diferentes extremos, ya que el
fluido con menor temperatura sale en contracorriente en el extremo donde entra
el fluido con mayor temperatura, la temperatura del fluido más frio se aproxima
a la temperatura del fluido de entrada. Este tipo de intercambiador resulta ser
más eficiente que otros tipos.
Flujo másico
Se define como la cantidad de masa que fluye a
través de una sección transversal de un aparato de flujo, por unidad de tiempo.
Sabemos que “el flujo másico que entra y sale del sistema funciona como un
mecanismo adicional de transferencia de energía. Cuando entra masa a un
sistema, la energía de éste aumenta debido a que la masa lleva consigo energía.
De igual modo, cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía de éste
disminuye porque la masa que sale saca algo consigo.
Delta de temperatura
Se define como la diferencia entre las
temperaturas de salida y de entrada del intercambiador de calor. Esta
diferencia, “es la fuerza motriz, mediante la cual el calor se transfiere desde
la fuente al receptor. Su influencia sobre sistemas de transferencia de calor,
que influyen tanto a la fuente como al receptor, es el sujeto inmediato para
estudio.
Velocidad de transferencia neta de calor
Se define como el productor entre el flujo
másico del fluido, el calor especifico del agua y la diferencia de temperaturas
del intercambiador de calor de coraza y tubos. Por otro lado, sabemos que la
transferencia de calor hacia un sistema es la ganancia de calor, lo que
incrementa la energía de las moléculas y por ende la del sistema; asimismo, la
transferencia de calor de un sistema que puede ser una pérdida de calor, la
disminuye, puesto que la energía transferida como calor viene de la energía de
las moléculas del sistema.
Diferencia de temperatura media logarítmica LMTD (Log Mean Temperature Difference)
El LMTD es un método de diseño, en el cual es
necesario conocer de las temperaturas de entrada y de salida, además del flujo
másico de los fluidos es posible determinar el área de transferencia de calor
siguiendo un procedimiento lógico y adecuado.
Número de Prandtl
Los números de Prandtl de los fluidos van
desde menos de 0,01 para los metales líquidos, hasta más de 100000 para los
aceites pesados y para el agua es del orden de 10. Para los gases son de 0,1,
lo que indica que tanto la cantidad de movimiento como el calor se disipan a
través del fluido a más o menos la misma velocidad. El calor se difunde con mucha
rapidez en los metales líquidos y muy despacio en los aceites, en relación con
la cantidad de movimiento.
Numero de Reynolds
Es un número adimensional que relaciona
viscosidad, densidad, velocidad y dimensión de un flujo. Generalmente se
utiliza para determinar si un flujo es laminar o turbulento.
Método Kern
Kern, en 1950 [9] desarrolló uno de los
primeros métodos para el estudio del comportamiento térmico de un
intercambiador de calor de tubo y coraza. Este considera que el flujo a través
del arreglo de tubos es únicamente flujo cruzado, y no contempla fugas entre
los componentes de la coraza.
Eficiencia Térmica
La eficiencia térmica de un intercambiador de
calor es la proporción de la cantidad de calor transferido realmente en
comparación con la cantidad máxima de calor que teóricamente se podría
transferir. Mejorar la eficiencia térmica es crucial para optimizar el
rendimiento de un intercambiador de calor.
Descripción del Caso
La empresa farmacéutica ecuatoriana BioPharma
Innovations S.A. se dedica a la fabricación de productos biológicos, incluyendo
vacunas y terapias avanzadas.
Para asegurar la efectividad y seguridad de
sus productos, es esencial implementar un sistema de control térmico que maneje
adecuadamente los fluidos utilizados en sus procesos críticos. Se requiere un
sistema de enfriamiento con amoniaco, reduciendo la temperatura de 78.51 °C a
43 °C, para preservar la estabilidad de componentes biológicos sensibles
durante la producción.
Además, se necesita un sistema de
calentamiento con agua, elevando la temperatura de 33 °C a 38 °C, para
proporcionar agua caliente utilizada en procesos específicos dentro de las
instalaciones de fabricación.
El equipo de ingenieros industriales
contratados para llevar a cabo la investigación, diseño, cálculo y puesta en
marcha, propone la adquisición de un intercambiador de calor de carcasa y
tubos. Este equipo permitirá ajustar la temperatura del amoniaco proveniente de
múltiples tanques de almacenamiento, reduciéndola de 78.51 °C a 43 °C, y elevar
la temperatura del agua existente en los tanques de la planta industrial,
aumentándola de 33 °C a 38 °C.
Por lo tanto, el objetivo del proyecto es seleccionar e implementar un intercambiador de calor eficiente que pueda manejar estas dos necesidades de temperatura de manera precisa y controlada, asegurando así el cumplimiento de los más altos estándares de calidad y seguridad requeridos para la producción de productos biológicos en BioPharma Innovations S.A. para cumplir con lo anteriormente estipulado el equipo de ingenieros necesitaran determinar los siguientes apartados:
- A.
Determinar la diferencia de
temperatura media logarítmica del intercambiador.
- B.
Determinar coeficientes de
conductividad de las corrientes y viscosidad dinámica teniendo en cuenta las temperaturas
de película de ambos fluidos.
- C.
Determinar la velocidad del
fluido que circula por dentro de los tubos.
- D.
Determinar el coeficiente de
calor en el lado del tubo hi.
- E.
Determinar las dimensiones de
carcasa del intercambiador requeridas.
- F.
Determinar el coeficiente de
calor he.
- G.
Determinar el coeficiente
global de transferencia de calor, área de intercambio y longitud.
Presentación del Esquema y Datos
Relevantes
Datos y Esquemas
|
Ficha técnica del
intercambiador de calor |
|||
|
Descripción de variables |
Datos |
Unidades |
|
|
Flujo masico fluido
caliente (mc) |
2685.6 |
kg/h |
|
|
0.746 |
kg/s |
||
|
Flujo masio fluido frio
(mf) |
154491 |
kg/h |
|
|
42.91416667 |
kg/s |
||
|
Tec |
78.51 |
C |
|
|
Tsc |
43 |
C |
|
|
Tfc |
60.755 |
C |
|
|
Tef |
33 |
C |
|
|
Tsf |
38 |
C |
|
|
Tff |
35.5 |
C |
|
|
e |
2.108 |
mm |
|
|
0.002108 |
m |
||
|
Dtub(ext) |
19.05 |
mm |
|
|
|
|
0.01905 |
m |
|
Numero de tubos (Nt) |
270 |
n/a |
|
|
Numero de pasos por los
tubos (Np) |
1 |
n/a |
|
|
Numero de pasos por la
coraza |
2 |
n/a |
|
|
Espacio deflectores (B) |
324.78 |
mm |
|
|
0.32478 |
m |
||
|
Corte deflectores |
31.17 |
% |
|
|
Espacio tubos |
23.812 |
mm |
|
|
0.023812 |
m |
||
|
Diametro exterior carcasa
Dext(carcasa) |
438.15 |
m |
|
|
Longitud |
6.096 |
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
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|
|
|
DATOS DE TABLA |
|||
|
Cpc |
5.250 |
KJ/kg * C |
|
|
Cpf |
4.178 |
KJ/kg * C |
|
FICHA TECNICA DEL INTERCAMBIADOR:
CALCULOS
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
BioPharma Innovations S.A., una empresa
farmacéutica ecuatoriana dedicada a la fabricación de productos biológicos como
vacunas y terapias avanzadas, necesita implementar un sistema de control
térmico eficiente en sus procesos críticos. Se requiere un sistema de
enfriamiento con amoniaco para reducir la temperatura de 78.51 °C a 43 °C y un
sistema de calentamiento con agua para elevar la temperatura de 33 °C a 38 °C,
con el fin de garantizar la estabilidad de componentes biológicos sensibles y
proporcionar agua caliente para procesos específicos en sus
instalaciones.
El equipo de ingenieros contratado propone la
adquisición de un intercambiador de calor de carcasa y tubos para ajustar la
temperatura del amoniaco proveniente de los tanques de almacenamiento y del
agua en los tanques de la planta industrial. El desafío radica en seleccionar e
implementar un intercambiador de calor eficiente que pueda manejar con
precisión estas necesidades de temperatura, cumpliendo con los estándares de
calidad y seguridad exigidos en la producción de productos biológicos en
BioPharma Innovations S.A. El problema consiste en la selección e
implementación de un intercambiador de calor que pueda controlar de manera
efectiva las temperaturas del amoniaco y del agua, asegurando la estabilidad de
los componentes biológicos y cumpliendo con los requisitos de calidad y
seguridad en los procesos de fabricación de la empresa farmacéutica.
DESCRIPCCION DEL CASO
La empresa farmacéutica ecuatoriana BioPharma
Innovations S.A. se dedica a la fabricación de productos biológicos, incluyendo
vacunas y terapias avanzadas.
Para asegurar la efectividad y seguridad de
sus productos, es esencial implementar un sistema de control térmico que maneje
adecuadamente los fluidos utilizados en sus procesos críticos. Se requiere un
sistema de enfriamiento con amoniaco, reduciendo la temperatura de 78.51 °C a
43 °C, para preservar la estabilidad de componentes biológicos sensibles
durante la producción.
Además, se necesita un sistema de
calentamiento con agua, elevando la temperatura de 33 °C a 38 °C, para
proporcionar agua caliente utilizada en procesos específicos dentro de las
instalaciones de fabricación.
El equipo de ingenieros industriales
contratados para llevar a cabo la investigación, diseño, cálculo y puesta en
marcha propone la adquisición de un intercambiador de calor de carcasa y tubos.
Este equipo permitirá ajustar la temperatura del amoniaco proveniente de
múltiples tanques de almacenamiento, reduciéndola de 78.51 °C a 43 °C, y elevar
la temperatura del agua existente en los tanques de la planta industrial,
aumentándola de 33 °C a 38 °C.
Por lo tanto, el objetivo del proyecto
es seleccionar e implementar un intercambiador de calor eficiente que pueda
manejar estas dos necesidades de temperatura de manera precisa y controlada,
asegurando así el cumplimiento de los más altos estándares de calidad y
seguridad requeridos para la producción de productos biológicos en BioPharma
Innovations S.A. para cumplir con lo anteriormente estipulado el equipo de
ingenieros necesitaran determinar los siguientes apartados:
- A
Determinar la diferencia de
temperatura media logarítmica del intercambiador.
- B
Determinar coeficientes de
conductividad de las corrientes y viscosidad dinámica teniendo en cuenta las
temperaturas de película de ambos fluidos.
- C
Determinar la velocidad del
fluido que circula por dentro de los tubos.
- D
Determinar el coeficiente de
calor en el lado del tubo hi.
- E
Determinar las dimensiones de
carcasa del intercambiador requeridas.
- F
Determinar el coeficiente de
calor he.
- G
Determinar el coeficiente
global de transferencia de calor, área de intercambio y longitud.
OBJETO:
- A.
Diferencia de temperatura media
logarítmica del intercambiador.
- B.
Coeficientes de conductividad
de las corrientes y viscosidad dinámica teniendo en cuenta las temperaturas de
película de ambos fluidos.
- C.
Velocidad del fluido que
circula por dentro de los tubos.
- D. Coeficiente de calor en el lado del tubo hi.
- E.
Dimensiones de carcasa del
intercambiador requeridas.
- F.
Coeficiente de calor he.
- G.
Coeficiente global de
transferencia de calor, área de intercambio y longitud.
ESQUEMA Y DATOS:
FICHA TECNICA DEL INTERCAMBIADOR:
CALCULOS
A DIFERENCIA
DE TEMPERATURA MEDIA LOGARÍTMICA DEL INTERCAMBIADOR.
Primero procedemos a calcular la media
logarítmica TMLD:
Con la siguiente formula de la variación de
temperatura de media logarítmica:
Una vez que aplicamos la formula en el Excel
obtuvimos el siguiente resultado: 21.809 C
Procedimos a realizar la gráfica de variación
de temperatura:
Los valores dado por el Excel para calcular P
fue: 0.10987
Los valores dado por el Excel para calcular R
fue: 7.102
3. Calculamos el calor del intercambiador utilizando el flujo másico del fluido frio y el calor especifico del fluido frio junto la diferencia de temperatura (TSF- TEF) obtuvimos q= 1126.5KW / 1126498W
Literal B:
4. Calcular la viscosidad dinámica para el fluido caliente mediante interpolación obtuvimos los siguientes datos:
5. Calcular la densidad para el fluido frio mediante interpolación obtuvimos los siguientes datos:
Para el calculo del área
interna usamos la formula del Aint, dándonos como resultados un área interna
de: 0.000172825m
Por ultimo para calcular la velocidad del fluido frio despejamos la formula del flujo másico, dándonos como resultado que nuestra velocidad de fluido frio es de 0.925404264m/s
Para el calculo de la relación L/Dint usamos la formula propuesta en clase, longitud/ diámetro interno, la cual nos dio un valor de: 410.9478226
Acorde a los pasos seguidos, procedimos con el calculo del diametro equivalente , la cual con la aplicación de la formula nos dio un diametro de: 0.01737m
Para la realización del calculo del coeficiente de calor He, necesitamos datos de Re, Pr y Jh: los cuales obtenemos con la realización de sus respectivas formulas, dándonos los siguientes valores:
Con esta grafica y a los valores obtenidos anteriormente pudimos conseguir el valor de Jh
Primero Determinamos el coeficiente global de
transferencia de calor aplicando las fórmulas de conductividad térmica total,
dándonos como resultado lo siguiente: 1.022W/mC
Luego procedimos a aplicar el coeficiente
global de transferencia global de calor dándonos un resultado de: 562.6755833
Wm2C
Para el calculo del area de intercambio, una vez que procedimos con el nos dio As: 91.8m2
Y por ultimo procedimos con el cálculo de la longitud, la cual tuvimos que despejar de la formula de As, una vez despejada aplicándola nos dio una longitud de: 5.68104277m
CONCLUSIONES:
RECOMENDACIONES:
- Optimización del
Diseño:
- Asegurarse de que el diseño del intercambiador optimizado considerando el coeficiente de calor en el lado del tubo hi y el coeficiente de calor en el lado de la carcasa he para una transferencia térmica eficiente.
- Mantenimiento
Preventivo:
- Establecer un programa de mantenimiento
regular para el intercambiador con base en las dimensiones de la carcasa
y la velocidad del fluido para garantizar un rendimiento óptimo y
duradero.
- Control de Velocidad:
- Monitorear y ajustar la velocidad del fluido
en los tubos (V) para mantener una transferencia de calor efectiva y
estable.
- Cumplimiento
Normativo:
- Verificar que las dimensiones de la carcasa y
las propiedades de los fluidos cumplan con las normativas y estándares de
calidad de la industria farmacéutica.
- Capacitación del
Personal:
- Brindar capacitación específica al personal sobre los coeficientes de conductividad y viscosidad de los fluidos, así como las dimensiones y funcionamiento del intercambiador de calor.
ANEXOS:
Ficha técnica del intercambiador de calor:
TABLAS USADAS:
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.
·
Warren L. McCabe, Julia C.
Smith y Peter Harriott (2007), Operaciones Unitarias en Ingeniería Química -
Séptima Edición, Mc Gran Hill.
·
James Welty (2008), Fundamentos
de Transferencia de Momento, Calor y Masa – Quinta Edición, John Wiley &
Sons.
·
Robert
Perry (2008) PERRY´S CHEMICAL ENGINEERS´ HANDBOOK – Octava Edición, Mc Gran
Hill Comparison of Shell and Tube Heat Exchanger using Theoretical Methods,
HTRI, ASPEN and SOLIDWORKS simulation softwares. (n.d.). https://www.ijera.com/papers/Vol6_issue3/Part%20-%205/L06030599107.pdf
·
Aplicación del Método de la
Colonia de Hormigas Mixto a la optimización de intercambiadores de calor de
tubo y coraza. (2015). http://scielo.sld.cu/pdf/im/v17n2/im04214.pdf
·
Vega,
J. (n.d.). TRANSFERENCIA DE CALOR. http://www.unet.edu.ve/~fenomeno/F_DE_T-165.htm
