Diseño de un cambiador de calor mediante ASPEN PLUS

I CONGRESO DE INNOVACIÓN DOCENTE EN
INGENIERÍA QUÍMICA
DISEÑO DE UN CAMBIADOR DE CALOR
MEDIANTE ASPEN PLUS
A. Moral, A. Tijero, M.D. Hernández y M.J. de la Torre
Departamento de Biología Molecular e Ingeniería Bioquímica. Área de Ingeniería
Química. Universidad Pablo de Olavide. Sevilla.
Departamento de Ingeniería Química. Universidad Complutense de Madrid.
A. Tijero
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Diseño de un cambiador de calor mediante ASPEN PLUS
•En este trabajo se detalla una aplicación informática a la
docencia en la asignatura “Operaciones Básicas”,
perteneciente al Grado en Biotecnología.
•Se incluye dentro del Módulo “Bioingeniería y Procesos
Biotecnológicos. Procesos Biotecnológicos”, es de tipo C2 y
le corresponden 4.5 ECTS de la Materia “Operaciones
Básicas”.
•Se imparte en el primer semestre del tercer curso. La
descripción de los contenidos es “Operaciones controladas
por el transporte de la cantidad de movimiento.
•Operaciones controladas por la transmisión de calor”
dentro de los cuales se estudian los cambiadores de calor
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La práctica tiene un doble objetivo, por un lado se
simula un cambiador de carcasa y tubos y después se
diseña un cambiador para que se cumplan unas
especificaciones fijadas. Para ello se utiliza el
programa ASPEN PLUS con el que se puede aplicar el
método simplificado o el riguroso
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La ecuación general de transmisión de calor es:
Q  UATm
donde Q es el calor transferido, U el coeficiente global
de transporte, A el área de transferencia de calor, y
ΔTm la diferencia media de temperaturas (media
logarítmica para flujo en contracorriente puro). El
coeficiente global nos da idea de la resistencia a la
transmisión de calor (resistencias de la pared, fluido
frío y caliente), mediante la expresión:
1
1
e
1



UD h´D´ k p Dml h´´D´´
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Si se forma una capa de precipitación de sales
sobre los tubos, habría que añadir nuevas
resistencias determinadas por los coeficientes de
ensuciamiento. Si existe una desviación del flujo
en contracorriente, se aplica un factor de
corrección, FT. Estos cambiadores poseen tabiques
deflectores cuya función es dirigir el fluido para
que aumente el coeficiente de transporte.
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La simulación que se lleva a cabo en esta práctica es la de
un cambiador 1-2. Para dicha simulación se emplea el
bloque HEATX que permite estimar la transmisión de calor
y caída de presión para corrientes de una o dos fases
mediante dos métodos: el simplificado, que se lleva a cabo
con el mínimo número de datos, y no requiere especificar la
geometría (por tanto el coeficiente global, el factor de
corrección y las caídas de presión serán constantes) y el
riguroso, en el que sí es necesario especificar la geometría
para estimar el coeficiente global, el factor de corrección y
las caídas de presión.
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Para el cálculo del coeficiente global a partir de
coeficientes individuales, se considera
despreciable el espesor de la pared del tubo y con
él, su resistencia a la transmisión de calor y los
coeficientes individuales se estiman a partir de
una serie de correlaciones.
Tenemos que resolver dos problemas con Aspen,
uno de la simulación de un cambiador y el otro,
del diseño de un cambiador.
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Problema de simulación: Conocemos la geometría
del cambiador y queremos obtener las
temperaturas de salida de los dos fluidos. El
problema consta de tres apartados: el primero es
una simulación mediante el método simplificado,
el segundo, mediante el método riguroso con el
coeficiente global constante y el tercero, con el
método riguroso y el coeficiente global, función
de la geometría.
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Dibujar el diagrama de flujo: Se emplea el bloque
HEATX para dibujar el cambiador, y las cuatro
corrientes (dos de entrada y dos de salida) se
dibujan con MATERIAL STREAMS. Se denota con
C y F a los fluidos caliente y frío respectivamente
y con 1 y 2 a las corrientes de entrada y salida.
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Shell: Carcasa: Se especifica el tipo de carcasa (E: un paso por
carcasa), el número de pasos por tubo (dato del problema),
orientación horizontal del cambiador, diámetro interno y distancia
entre el haz de tubos y la carcasa (dc).
Tubes. Tubos: Se emplean tubos lisos y se especifica el número de
tubos (Nt), su longitud, disposición (triangular), pitch(distancia
entre el centro de un tubo a otro) que se obtiene de un figura y el
diámetro interno o el externo y el espesor.
Baffles: Tabiques deflectores: Tipo y número. Además, la distancia
entre tabiques (IB), la distancia entre el primer tabique y la placa (
IBI) y el Baffle Cut (entre 0,2 y 0,25)
Nozzles: Boquillas: Diámetros de las boquillas de entrada y salida
de la carcasa y los tubos.
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Desde el punto de vista didáctico, se pretende
establecer un nexo metodológico entre los problemas
más comunes en el análisis de cambiadores de calor
(cálculo del cambio de calor y diseño del tamaño para
un proceso particular a optimizar) y el programa
informático.
El primero supone calcular el calor transferido, el
cambio de temperaturas en ambos fluidos y la caída de
presión a lo largo del cambiador. El segundo sirve para
poder elegir un cambiador de entre los que pueden
estar disponibles en el mercado, o para determinar las
dimensiones de uno nuevo.
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Una corriente de 3.5 kg/s de acetona pura a 108ºC y 2 atm
se condensa en un cambiador horizontal de carcasa y tubos
1-2, utilizando como fluido refrigerante, agua a 32ºC y 1.6
atm, que circula por los tubos. El caudal es de 100 kg/s.
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Diagrama de flujo del proceso
F1
B1
C1
C2
HEATX
F2
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a) Calcular la temperatura de salida de ambos fluidos
utilizando el método simplificado, suponiendo U = 750
W(m2K) y FT = 0.95.
Siguiendo los pasos propuestos en el procedimiento y
habiendo supuesto el coeficiente global de transmisión
de calor y el factor corrector de la temperatura media
logarítmica constantes e iguales a 750 W/(m2K) y 0.95
respectivamente, sólo queda introducir el valor del
área de intercambio de calor para poder realizar la
simulación, la cual se obtiene:
A = pDL.Nº de Tubos = (p)(0.025)(3.2)(255) = 64.1 m2
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b) Calcular la temperatura de salida de ambos fluidos
utilizando el método riguroso:
Suponiendo U constante e igual a 750 W/(m2K)
En este caso, debemos especificar la geometría del
cambiador y con ésta, Aspen calcula la diferencia de
temperaturas media logarítmica. Todos los datos del
cambiador se encuentran expuestos al lado del dibujo
Además en el programa ha de indicarse cuál es el fluido que
circula por la carcasa ( fluido caliente: acetona), y cuál es el
que circula por los tubos (fluido frío: agua).
Utilizando la geometría del cambiador para estimar U: Igual
que antes pero seleccionando la opción en la que U dependa
de la geometría en vez de mantenerse constante.
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c) Tras un determinado tiempo de uso se produce
ensuciamiento en el interior de los tubos. Si la
resistencia de ensuciamiento, Rf, es de 2 E-4
m2K/W, calcular las temperaturas de salida de
ambas corrientes en estas condiciones.
En este caso se elige la opción adecuada en Aspen
para que en la simulación, tenga en cuenta dicha
resistencia (Film Coefficient).
Los resultados obtenidos para los tres apartados
anteriores se recogen en las siguientes tablas:
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PLUS
APARTADO
TSALIDA
ACETONA (ºC)
TSALIDA AGUA
(ºC)
UM (W/M2K)
A
57,55
37,18
750
B
56,29
37,21
750
C
55,27
37,24
793,6
En cuanto al apartado c, al tener en cuenta el factor de
ensuciamiento, esta resistencia interviene negativamente
en la transmisión de calor.
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El programa ASPEN PLUS simplifica los cálculos ya que
al indicar las variables del sistema
(según el modelo que se aplique también se
determinará la geometría) se obtiene un informe
detallado de lo que sucede a lo largo del cambiador.
También existen correlaciones bibliográficas
con las que se pueden calcular los coeficientes de
calor o perfiles de temperatura.
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Bibliografía
Foust, Alan S. et al. (2006). Principios de las operaciones unitarias.
2a ed. CECSA. México
Perry, Robert H. (2001). Manual del Ingeniero Químico. Ed.
McGraw-Hill, España.
Ocon García, J. y Tojo Barreiro, G. (1970). Problemas de Ingeniería
Química. Ed. Aguilar, España.
C. Somers, A. Mortazavi, Y. Hwang, R. Radermacher, P. Rodgers, S.
Al-Hashimi (2011). Modeling water/lithium
bromide absorption chillers in ASPEN Plus. Applied Energy, 88
(11), 4197-4205
Wayne Doherty, Anthony Reynolds, David Kennedy (2010).
Computer simulation of a biomass gasification-solid
oxide fuel cell power system using Aspen Plus. Energy, 35 (12),
4545-4555
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