Experiencia Sistemas Batch

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Resumen Ejecutivo

En la actualidad existen muchos procesos industriales en donde es utilizado la producción mediante procesos Batch. Este proceso permite un flujo de producción definido al tratar un flujo entrante en varias etapas dentro del mismo sistema, pero en distintos tiempos.

En la experiencia se produjo la cristalización del  al calentar y enfriar rápidamente el estanque que contiene la solución de    mediante corrientes de servicio calientes y frías según corresponda la etapa de calefacción o enfriamiento, todo en un mismo sistema Batch. El sistema Batch está constituido por un agitador (busca la homogenización de la mezcla, además aumenta la transferencia de calor), un serpentín (en el pasarán las corrientes de servicios provocando la transferencia de calor), un sistema de calefacción y un sistema de enfriamiento, los cuales operarán según sea la etapa.[pic 6][pic 7]

La experiencia se centró en la etapa de calentamiento y enfriamiento del sistema Batch. Durante el calentamiento se midió las temperaturas de entrada y salida de la corriente de servicio de agua caliente, así como la temperatura del estanque que contenía la solución de KNO_3 en lapsos de un minuto, esto con el objetivo de subir la temperatura del sistema de 20[ºC] a 44[ºC]. Al utilizar estos datos se obtuvo que el calor absorbido por el sisma Batch fue de 446,8[kJ] y el calor entregado por la corriente de servicio fue de -614,6[kJ]. Se aprecia que fue necesario entregar más energía por parte del servicio debido al calor disipado hacia al ambiente (el sistema no estaba aislado térmicamente).

Utilizando el mismo sistema Batch se enfrió el estanque utilizando una corriente de agua helada con el fin de llevar la temperatura de 40[ºC] a 22[ºC]. En este caso el sistema cedió -333,1[kJ] a la corriente de agua fría y esta absorbió 463,7[kJ]. Esta vez el flujo de servicio recibió energía del estanque y del ambiente lo que provocó esta diferencia entre los calores cedidos y absorbidos.

Empleando el coeficiente global de transferencia de calor, fue posible obtener el coeficiente de convectividad del agua servicio utilizado para enfriar y calentar el sistema Batch, resultando para la calefacción un  y para la refrigeración un , lo cual indica una tendencia de convectividad forzada, lo cual se verifica en función de la turbulencia que experimenta este fluido.[pic 8][pic 9]

Comparando la diferencia de la transferencia de calor en el sistema Batch entre una agitación de la aleta de 470 [RPM] y una a 350 [RPM], se aprecia que la transferencia es mayor con una agitación de 470[RPM]. Empíricamente y en ambas etapas se alcanza la temperatura deseada un minuto antes al utilizar la mayor agitación. Esta mejora en la transferencia de calor se debe a que la agitación disminuye la viscosidad de la solución de , aumentando el número de Reynolds y consigo aumentando el coeficiente de convección.[pic 10]

Índice

Resumen Ejecutivo        2

Descripción de Fenómeno        4

Datos        5

Análisis de Datos        7

Conclusiones y Recomendaciones        15

Referencias        16

Índice de figuras

Figura 1 Temperaturas de entrada, salida y del batch en función del tiempo para la calefacción        8

Figura 2 Temperaturas de entrada, salida y del batch en función del tiempo para la refrigeración        9

Índice de tablas

Tabla 1Temperaturas del proceso de calefacción del sistema Batch        5

Tabla 2 Temperaturas del proceso de enfriamiento del sistema Batch        6

Tabla 3 Temperaturas en el proceso de enfriamiento del sistema Batch (Betancourt-Ponce)        6

Tabla 4 Tabla comparativa energía entregada/recibida por el servicio según RPM.        14

Descripción de Fenómeno

Los sistemas Batch o por lotes corresponde a un proceso no continuo donde el producto experimenta diversos procesos en distintos tiempos. Además, estos procesos pueden ser realizados en un mismo sistema (llamado sistema Batch) pero en distintos tiempos. Lo anterior se ve ejemplificado en la experiencia al haber una etapa de calentamiento y enfriamiento en el mismo sistema Batch.

Un sistema Batch común presenta las siguientes etapas: Carga – Calentamiento – Reacción – Enfriamiento – Descarga. Estas etapas se realizan en un mismo equipo pero en distintos tiempos, de esta manera el tiempo de un ciclo corresponde a la suma del tiempo utilizado en cada etapa.

Al analizar la transferencia de calor en cada etapa se aprecia que esta ocurre de manera transiente, esto quiere decir que no ocurre de forma constante y esto se debe a que existen muchos factores que varían a lo largo de cada etapa como lo son los flujos de servicio, la transferencia de calor, la temperatura del sistema Batch y de la corriente de servicio, entre otros.

En la experiencia se logró la cristalización del  mediante un sistema Batch el cual consiste en una etapa de calentamiento y otra de enfriamiento. En la etapa de calentamiento el servicio de agua caliente entrega energía al estanque logrando un aumento en la temperatura lo que se traduce en aumento en la solubilidad apreciando una fase liquida única. Luego en la siguiente etapa, el servicio fue cambiado por agua fría cambiando drásticamente la temperatura del estanque y logrando la cristalización del .[pic 11][pic 12]

Analizando la transferencia de calor se aprecia que, en la etapa de calentamiento, al aumentar la temperatura de la solución de  esta disminuye su viscosidad por lo que el número de Reynolds aumenta y a su vez el coeficiente convectivo, el coeficiente de transferencia de calor y finalmente la transferencia de calor aumentan. Caso contrario ocurre en la etapa de enfriamiento en donde el aumento de la viscosidad del  se traduce en una disminución de la transferencia de calor. Otro factor importante en la transferencia de calor son las RPM con que funciona el sistema ya que al aumentar la agitación del sistema el número de Reynolds aumenta y consigo el coeficiente convectivo y la transferencia de calor.[pic 13][pic 14]

En un sistema es posible obtener el flujo de calor y el calor recibido el cual provoca un cambio en la entalpia del sistema:

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Sin embargo este flujo corresponde a un estado estacionario. En un sistema Batch donde se aprecia un estado transiente el  es reemplazado por una relación que ajusta la temperatura variable tanto del servicio como el sistema y está dado por:[pic 16]

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Datos

Tabla 1Temperaturas del proceso de calefacción del sistema Batch

Tabla 2 Temperaturas del proceso de enfriamiento del sistema Batch

Las temperaturas de enfriamiento no son las correctas, debido a que no existió un diferencia de temperaturas entre los flujos de servicio de entrada y salida, lo cual conlleva un nulo intercambio de calor, cosa que no ocurrió. Lo anterior sucedió debido a que las termocuplas que debían estar en contacto con el flujo de salida y entrada no estaban en una posición correcta, lo cual conllevó a una datación de temperaturas constante. Por lo cual, se necesitó la información de los datos experimentales de otro grupo de trabajo: Dominique Bentancourt – Juan Ponce.

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