Design and construction of a system of water coo=
ling
for the tower of
thinner distillation
=
[1] Danielita Fernanda Borja Mayorga, 1Mabel Mariel=
a Parada
Rivera, 1Mayra Paola Zambrano Vinueza, 1Zoila Valeria
Tapia González, [2] Sofía Carolina Godoy Ponce, & [3] Sergio Freire Sil=
va.
Recibido:
10-02-2019 / Revisado: 15-02-209 /Aceptado: 04-03-2019/ Publicado: 14-06-20=
19
=
The
objective of this project was to design and build a cooling System to impro=
ve
the work =
of
the tinting tower of the Unit Operations laboratory of the School of Chemic=
al Engineering of ESPOCH. Studying
first the state of the tinner distillation
tower to <=
span
lang=3DEN-US style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;mso-ansi-language:E=
N-US'>the
diagn=
osed
the process and then the cooling System was designed and constructed, compl=
ying
with the information established in the evaluation carried out by laboratory
tests. Two design alternatives were suggested based on the type of
environmentally friendly refrigeration, refrigerants 404 and 134 were analy=
zed,
but the former was used. The cooling system has a storage tank or evaporator
built with 304 stainless Steel, 15 mm copper pipes and alumin=
um
sheets for the condenser. We used a compressor and a 1/2 hp pump, a hermetic filter, a=
lso
automatic control paper with a temperature sensor. With the application of =
this
cooling system very acceptable results were obtained. By reducing the
temperature in the condensers an increase in the yield in the process was
obtained. Before without applying this project three liters of tinner was recovered in a period of time of fithteen hours, but with the application of the syste=
m the
goal of tripling the savings of tinner in the s=
ame
time was reached. Finally, the design parameters were optimal to solve the
deficiency presented by the thinner distiller equipment. Keywords: Resumen. El objetivo de este proyecto =
fue
diseńar y construir un sistema de enfriamiento para mejorar la eficiencia y=
el
rendimiento de la torre de destilación de thinner del
laboratorio de Operaciones Unitarias de la Escuela de Ingeniería Química de=
la
ESPOCH. Se inició con el diagnóstico del estado de la torre de destilación =
de thinner para luego proceder con el diseńo y construcc=
ión
del sistema de enfriamiento de acuerdo a los requerimientos de la evaluación
realizada por pruebas de laboratorio. Se planteó dos alternativas de diseńo=
en
base al tipo de refrigerante más eficiente durante el proceso de refrigerac=
ión
y que sea amigable con el ambiente, se tomó en cuenta los refrigerantes 404=
a y
134a y por medio de un análisis de criterios se optó por la primera alterna=
tiva.
El sistema de enfriamiento consta de un tanque evaporador construido con ac=
ero
inoxidable 304, tuberías de cobre de 15 mm y láminas de aluminio para el
condensador. Se utilizó un compresor y una bomba de P=
alabras
claves: Torre de
Intro=
ducción.
La Facultad de Ciencias de la
ESPOCH tiene a disposición la carrera de Ingeniería Química, en ella se imp=
arte
cátedras como Operaciones Unitarias
El presente proyecto dará
solución al problema que presenta la torre de destilación
Actualmente hay un desperdici=
o de
agua que se desecha en los sumideros quedando estancada y contaminado el
ambiente. La importancia de su construcción radica en la reutilización del =
agua
que se consume en el uso del equipo y el aprovechamiento de la energía con =
la
que sale el agua después de un proceso de intercambio de calor.
El
diseńo y construcción del sistema de enfriamiento
<= o:p>
Metodologia.
Descripción del proceso.
Proceso de Destilación de=
thinner con el equipo actual:
Alimentación: La alimentación de los resid=
uos
de pinturas se da por medio de una válvula de bola de un cuarto de vuelta,
acompańado de un embudo para evitar derrames del producto o para una mayor
asertividad de la alimentación, también se puede desmontar el tanque del eq=
uipo
y agregar los residuos.
Calentamiento: En esta parte del proceso se
expone al tanque un quemador de gas para que empiece el calentamiento (punt=
o de
ebullición) de la sustancia que se halla dentro del contenedor, luego se da
comienzo a la separación y recuperación del thinner
contenido en la mezcla de residuos de pintura.
Regulación de la temperatura: Una vez pue=
sto
a calentar el tanque de alimentación se procede a controlar la temperatura =
a la
cual se va a separar el thinner, para esto cont=
amos
con dos termocuplas integradas en el equipo que nos permiten ver cuál es la
temperatura de ebullición y la de condensación.
Condensación: En esta fase el thinner circula en forma gaseosa por los condensadore=
s los
cuales se encargan de convertirlo a líquido nuevamente con la ayuda del agua
que recircula desde un tanque a temperatura ambiente.
Reflujo: El vapor que se produce asciende por la columna, luego sale por la parte
superior y se condensa. Una fracción del condensado se separa como producto=
de
cabeza. La otra parte se reincorpora como reflujo a la columna, por la que
desciende en fase líquida.
Obtención del producto: =
En esta parte final del proceso se recolecta el producto obtenido en un
tanque de almacenamiento, el cual presenta un color un poco amarillento ya =
que
es un thinner reciclado lo que estamos obtenien=
do,
sus características fisicoquímicas no serán iguales en ningún aspecto debid=
o a
lo ya mencionado antes.
Figura 1: Proceso de destilación de thi=
nner
sin el sistema de enfriamiento.
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
Proceso de Destilación de thi=
nner
con la Implementación del Sistema de Enfriamiento
Alimentación: =
Se
llena el tanque de alimentación por medio de una manguera hasta un 80 % de =
su
capacidad.
Regulación de la
temperatura: En este paso se programa el equipo a la
temperatura que queremos mantener el agua que va recircular por los
condensadores, será medido por medio de un sensor.
Recirculación: El
agua previamente enfriada pasara por los condensadores arrastrando el calor=
del
vapor de thinner y haciendo que este se condens=
e y
pueda llegar hasta el tanque de almacenamiento.
=
Figura
2:
Proceso de destilación de =
Thinner con el sistema de enfriamiento.
=
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
A.
Medición de Temperatura.
La temperatura es el aspecto =
más
importante a considerar dentro de nuestro trabajo técnico de titulación ya =
que
de esto dependerá el diseńo adecuado del equipo de enfriamiento, se tomara =
en
cuenta 4 temperaturas de entrada y salida, mismas que son; temperatura de
entrada de fluido caliente, temperatura de salida de fluido caliente (agua),
temperatura de entrada de fluido frió, temperatura de salida de fluido frió
(refrigerante).
Tabla
1:
Temperatura de condensación y ebullición.
|
T° |
tiempo(min)=
|
T° |
|
|
16 |
20 |
17 |
|
|
16 |
20 |
66 |
|
|
16 |
20 |
81 |
|
|
19 |
20 |
82 |
|
|
21 |
20 |
83 |
|
|
22 |
20 |
89 |
|
|
22 |
20 |
89 |
|
|
24 |
20 |
89 |
|
|
27 |
20 |
89 |
|
|
26 |
20 |
90 |
|
|
29 |
20 |
91 |
|
|
29 |
20 |
89 |
|
|
29 |
20 |
90 |
|
|
29 |
20 |
92 |
|
|
30 |
20 |
96 |
|
|
Cantidad Media |
22,18 |
20 |
83,19 |
Fuente: Freire, S y Reinel=
, A.
2018.
B. <=
/span>Medición de Caudal.=
El caudal es otra de nuestras
variables importantes ya que con esta variable se sabe cuántos mililitros p=
or
hora se obtiene dentro del proceso de destilación de t=
hinner,
pero este no es el único caudal a tomar en cuenta, también tenemos otro muy
importante que lo obtenemos por medio del cálculo de la potencia de la bomb=
a,
este caudal será el agua que transite por las mangueras de los equipos con =
un
flujo en contracorriente.
Para determinar el caudal ant=
es y
después de la implementación del sistema de enfriamiento se utilizó la
siguiente expresión:
Dónde:
C. Formulación de las
Alternativas de Diseńo para el Sistema de Enfriamiento.
La torre de destilación de
Antes de la ejecución de este
proyecto de investigación, la alimentación para el agua de enfriamiento era=
por
medio de un improvisado tanque de plástico en él posaba el agua que pasa por
los condensadores del destilador de thinner, me=
diante
un flujo en contracorriente de agua haciendo una trayectoria de recirculaci=
ón
de manera directa y sin sistemas de control, lo cual, debido a la temperatu=
ra
de la fase gaseosa dentro de la columna, el agua empezaba a calentarse dent=
ro
del tanque y en los condensadores provocando que no se genere la correcta
condensación de dicho flujo, por tal razón, la eficiencia del equipo de
purificación no era la correcta.
Analizando este inconveniente=
se
optó por adecuar un sistema de enfriamiento de agua para el equipo menciona=
do,
logrando disminuir la temperatura a través de un sistema de control eléctri=
co
consiguiendo la condensación de la corriente de vapor hasta niveles razonab=
les
y con esto aumentar la eficiencia del destilador.
Con el uso del software llama=
do
HONEYWELL se analizó dos posibles alternativas para el diseńo y construcción
del sistema de enfriamiento y previo a investigaciones se encontró que se p=
odía
hacer uso de dos tipos de refrigerantes; 404a y 134a.
Refrigerantes más recomendados y utilizados para un buen funcionamiento en =
los
sistemas de enfriamiento de mediana y alta temperatura.
<= o:p>
Figura 3:.
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
La simulación del proceso de
Honeywell, es una herramienta digital que permite desarrollar, mejorar y
reutilizar modelos de sistemas o equipos utilizados a nivel de laboratorios=
y
plantas industriales. También ayuda a los ingenieros a crear y optimizar los
diseńos de plantas y monitorear el rendimiento de los mismos. De este modo,
permite las operaciones estables y la seguridad de procesos en las plantas
industriales.
=
=
D. Análisis de las alternativas entre los
refrigerantes R404a y R134a
Luego de haber establecido las alternativas se hizo el análisis de las mismas, valorando como elemento discriminante algunos criterios de selección establecidos. Como primer punt= o se verificó el cumplimiento de los criterios de selección por parte de cada un= a de las alternativas.<= o:p>
Al observar que las alternati=
vas
1 y 2 satisfacen los criterios de selección, por esta razón se realizó la
valoración del grado de cumplimiento de cada uno de los criterios estableci=
dos
para hacer uso del refrigerante más adecuado, valorando a cada alternativa =
con
puntuaciones de 1 a 5. Si se cumplía con el criterio mínimamente, la valora=
ción
asignada fue cercana a 1, en tanto que si la alternativa cumplía
satisfactoriamente con el criterio de selección, la valoración asignada fue=
cercana
a 5, como se describe dentro de la tabla 2.
Tabla 2:
Comparación de las características de los Refrigerantes.
|
Refrigerante 404a |
Refrigerante 134a |
||
|
Criterio |
Puntuación Rango (1-5)=
|
Criterio |
Puntuación Rango (1-5)=
|
|
Ideal para trabajar con bajas y medias temperaturas. |
5 |
Ideal para trabajar con altas temperaturas. |
4 |
|
Baja toxicidad |
5 |
Baja toxicidad. |
5 |
|
Refrigerante azéotropo.=
|
5 |
Refrigerante puro. |
3 |
|
Trabaja en estado, líquido y gaseoso. |
|
Trabaja solo en estado gaseoso. |
|
|
Fácil adquisición y menor precio. |
5 |
Adquisición mayor precio. |
4 |
|
Mejora la eficiencia de sistema de destilación |
4 |
Mejora la eficiencia de del sistema de destilación.=
|
4 |
|
TOTAL |
24 |
TOTAL |
20 |
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
E. <=
/span>Cálculos de ingeniería par=
a el
diseńo y construcción del sistema de enfriamiento de aguapara la torre de
destilación de thinner.
Como primer punto se tomó en
cuenta que para realizar el diseńo del sistema de refrigeración se debe
realizar los cálculos de ingeniería y obtener las condiciones de todos los
componentes que estarán presentes en el equipo construido, mismos que se
adaptarán a los requisitos de refrigeración. Es importante escoger material=
es
resistentes que pueda soportar tiempos de operación de 24 horas o más,
dependiendo de la cantidad de producto que se desee obtener.
F. Construcción del equipo=
.
Una vez se haya identificado =
las
variables de operación para el sistema de enfriamiento y se cuente con todos
los datos experimentales necesarios; se analizó la alternativa de diseńo más
adecuada para ser implementada en la torre de destilación de thinner, es decir en base a los cálculos de ingeniería
especificar las dimensiones y condiciones de operación del sistema de
enfriamiento. Posteriormente se procederá a la construcción del sistema en =
base
al diseńo, tomando en cuenta algunas especificaciones de los materiales
utilizados para la construcción del sistema de enfriamiento.
Figura 4:
=
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
Una vez que se haya diseńado y
construido el sistema de enfriamiento se procederá a la
experimentación para medir las condiciones de operación y productos<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%'> compararlo c=
on
las condiciones previas de operación de la torre y las especificaciones de
diseńo evaluar la eficiencia del sistema de enfriamiento.
La parte final del proyecto
corresponde a la validación del sistema de enfriamiento
implementado en la torre de destilación de thinner,
lo cual se realizará en el laboratorio
de Operaciones Unitarias, junto con la colaboración de los tutores del
proyecto, el
técnico docente y los estudiantes de la carrera, a través de ensayos y
prácticas de
laboratorio.
Resultados.
Los resultados de la temperatura de Condensación después de la
implementación del sistema de enfriamiento, fueron excelentes ya que al ten=
er
un controlador de temperatura en el equipo se logra mantener la temperatura
deseada para el proceso de destilación.
<=
span
class=3DCuerpodeltexto2Negrita>Figura 5: Comparación de la temperatur=
a de
condensación CSE y SSE.
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
La figura 5 indica la tempera= tura de condensación sin el sistema de enfriamiento, misma que alcanzaba un rango que no era el adecuado para que se facilite la condensación del vapor, lueg= o de implementar el sistema de enfriamiento se logró mantener la temperatura a 1= 0°C, esto hizo que los condensadores actúen de mejor manera transformando el vap= or a líquido, aumentando la eficiencia del equipo destilador para la obtención d= el producto deseado.<= o:p>
=
Tabla <=
span
style=3D'font-size:10.0pt;line-height:115%;font-family:"Arial",sans-serif;
mso-fareast-language:ES;mso-bidi-language:ES'>3: Resultados obtenidos SSE y C=
SE.
|
Sin el sistema de enfriamiento |
Con el sistema de enfriamiento |
||||
|
Variable |
Valor |
Unidad |
Variable |
Valor |
Unidad |
|
|
0,20 |
l/h |
|
0,60 |
l/h |
|
Temperatura del agua |
22,18 |
°C |
Temperatura del agua |
11 |
°C |
|
Tiempo |
15 |
h |
Tiempo |
15 |
h |
Fuente:
Freire, S y Reinel, A. 2018.
En la tabla 3 se observa que =
la
temperatura de agua para la recirculación sin el sistema de enfriamiento
llegaba a 22.18 °C, mientras que con la implementación del sistema de
enfriamiento se logró mantenerla en 11 °C, temperatura que es la ideal para
realizar el proceso de recirculación por los condensadores del equipo
destilador.
Discusión.
El sistema de enfriamiento
aumento considerablemente la eficiencia en un 75 % y el rendimiento en un 4=
0 %
de la torre de destilación de thinner, los valo=
res
obtenidos dan como resultado menor consumo de energía y un considerable aho=
rro
de agua.
Se observó que el thinner obtenido antes y después del sistema de
enfriamiento presentaba diferente coloración debido a las impurezas, pero e=
sto
también fue mejorado, se obtuvo thinner de menor
color e impurezas.
En cuanto a la realización de=
las
pruebas sin el sistema de enfriamiento y con el sistema de enfriamiento se
puede observar la diferencia de producto obtenido, en un principio se obtuv=
o 3L
de thinner en 15 horas con una alimentación de =
12L,
luego de la implementación del sistema de enfriamiento se obtuvo el triple de produ=
cto,
es decir, se recolectó 9L de thinner en el mismo
periodo de tiempo, con esto podemos evitar pérdidas de energía del equipo y
pérdidas de tiempo en el que podemos extraer mayor cantidad de thinner residual.
Para la destilación de thinner, la temperatura de ebullición fue de 65şC y p=
ara
que este hidrocarburo suba a la parte alta de la torre, es decir, pueda
ingresar a los condensadores como vapor, se manejó temperaturas de 110şC con un rango de d=
esviación
de ą 10şC. Por ende dichos valores indican rangos medios de temperatura don=
de
resulta más conveniente utilizar el refrigerante 404a, además que
presenta propiedades de no ser contaminante en espacios reducidos como lo e=
s el
laboratorio de Operaciones Unitarias.
Por medio del sensor de tempe=
ratura
ańadido al equipo refrigerador se controló la temperatura ideal que se
necesitaba para la recirculación de agua que ingresa a los condensadores a
temperaturas bajas, manteniendo así un rango de 10 ą1şC lo que permitió aumentar de eficiencia del equipo.
Conclusiones.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Symbol;mso-fareast-f=
ont-family:
Symbol;mso-bidi-font-family:Symbol'>ˇ =
En el diagnóstico del equipo =
se
realizaron cuatro pruebas preliminares, con las cuales se determinó que la
torre de destilación de thinner se encontraba
trabajando de manera ineficiente, por cada 12 L de alimentación se obtenía 3
litros de thinner en 15 horas de proceso, esto =
nos da
una eficiencia del equipo de 25%.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Symbol;mso-fareast-f=
ont-family:
Symbol;mso-bidi-font-family:Symbol'>ˇ =
Las variables consideradas so=
n:
la temperatura y el caudal, que determinan el funcionamiento del equipo, ad=
emás
influye en el modo de operación del sistema de enfriamiento, el cual se
necesita implementar para un mejor proceso de destilación.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Symbol;mso-fareast-f=
ont-family:
Symbol;mso-bidi-font-family:Symbol'>ˇ =
Los cálculos para el
dimensionamiento del sistema de enfriamiento fueron realizados en base al
requerimiento de la torre de destilación de thinner,
con las pruebas de ensayo se determinó trabajar a una temperatura de 10 °C =
y un
volumen de 80L de agua, además se optó por el refrigerante 404a,
consideraciones que garantizan mejorar el proceso de destilación.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Symbol;mso-fareast-f=
ont-family:
Symbol;mso-bidi-font-family:Symbol'>ˇ =
Se adaptó el sistema de
enfriamiento a la torre de destilación de thinner
manejando el flujo en contracorriente para la mejor distribución y circulac=
ión del
agua por los condensadores. Además el sistema de enfriamiento presenta la
característica de ser adaptado con otros equipos, la cual permite reducir l=
as
altas temperaturas que se genera en diferentes procesos.
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:Symbol;mso-fareast-f=
ont-family:
Symbol;mso-bidi-font-family:Symbol'>ˇ =
Con la validación del sistema=
de
enfriamiento se obtuvo excelentes resultados, ya que se comprobó un aumento=
de
eficiencia en el proceso de destilación, obteniendo el triple de destilado =
en
el mismo tiempo, es decir se recogió 9 litros de destilado en un tiempo de =
15
horas.
ˇ
Se
utilizó el refrigerante 404a, ya que presenta propiedad azéotropa, es decir; se puede trabajar de forma líqui=
da
evitando problemas de emisión de gases al manipular y recargar este
refrigerante evitando problemas explosivos, ya que en el proceso de destila=
ción
se trabaja con fuego y altas temperaturas, además de ser uno de los
refrigerantes más accesibles y amigables con el ambient=
e.
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PARA
CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.
Borja Mayorga, D. F. (2019). Dis=
eńo
y construcción de un sistema de enfriamiento de agua para la torre de
destilación de thinner. Ciencia Digital,=
3(2.4),
36-48. https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v3i2.4.505
El artículo que se publica es de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
El artículo qu=
eda
en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parcial y/o total en
otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Ciencias, Carrera de Ingeniería Química, R=
iobamba,
Ecuador, email (*dborja@espoch.edu=
.ec)
<=
span
class=3DMsoFootnoteReference>[1] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Ciencias, Carrera de Ingeniería Química, R=
iobamba,
Ecuador, email (mparada@espoch.edu=
.ec)
<=
span
class=3DMsoFootnoteReference>[1] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Ciencias, Carrera de Ingeniería Química, R=
iobamba,
Ecuador, email (mayra.zambrano@espoch.edu.ec)
<=
span
class=3DMsoFootnoteReference>[1] Escuela Superior Politécnica=
de
Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Ciencias, Carrera de Ingeniería Química, R=
iobamba,
Ecuador, email (ztapia@espoch.edu.ec)
[2] Escuela Superior Politécnica de
Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Ciencias, Carrera de Ingeniería Ambiental,
Riobamba, Ecuador. email (sofia.godoy@espoch.edu.ec)
[3] Tesista, = Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH), Facultad de Ciencias, Carrera = de Ingeniería Química, Riobamba, Ecuador, email (sfreire@espoch.edu.ec)
www.cienciadigital.org
=