Raúl R. Roque Y.

Intercambiadores de CalorSe designa este nombre al equipo en los cuales no ocurre cambio de fase en los fluidos involucrados.Introducción

Calor sensibleEsta es la energía calorífica que eleva la temperatura del agua.

Calor LatenteEs la cantidad de calor que produce un cambio de fase liquido del agua a vapor.

Evaporar

Fuente

Receptor

Corrientes de procesoSon aquellas que participan en el balance de masa de la planta.Reactivos, productos de reacción, efluentes, fracciones derivadas de procesos.

Corrientes de servicioSon corrientes que no se mezclan con las corrientes de proceso.Sin embargo pueden afectar el balance de energía.Vapor para calefacción de procesos, agua de enfriamiento de los circuitos.

IntercambiadorRecupera calor por intercambio entre dos corrientes de proceso, exceptuando vapor de agua y agua de refrigeración que son servicios auxiliares.

CalentadorSe utiliza para calentar corrientes de proceso, generalmente vapor de agua.

EnfriadorSe utiliza fundamentalmente para enfriar corrientes de proceso, por lo general agua

CondensadorEs un enfriador cuyo uso fundamental es el eliminar calor latente de condensación.Un fluido utilizado para condesar puede ser el aire.

ReboilerEs un calentador que tiene como función aportar calor latente en procesos de destilación.En ocasiones se calienta con fluidos de proceso

EvaporadorSe utiliza para concentrar(porcentaje de composicion) alguna solución evaporando agua. Cuando el fluido no tiene agua y tiene otro liquido se denomina vaporizador.

Intecambiador tipo casco y tubo

Intecambiador tipo casco y tubo

Intercambiador tipo placa

Ejemplo de uso de intercambiadores

Precalentador en la corriente de alimentaciónEl producto de alimentación a la columna de destilación debe ser calentada antes de introducirla en el equipo.Entonces las corrientes de fondo y de alimentación se deben equilibrar termodinámicamente.

Condensador en la cabezaEs el encargado de condensar los vapores livianos que salen de la columna, en este caso el calor se retira con agua de enfriamiento.

Reboiler en el producto de fondoEs el encargado de evaporar el liquido de fondo de la columna suministrando el calor que requiere el proceso.

Soluciones en cascada de intercambiadores de calor

Cuando por diferentes razones sean técnicas o económicas es posible realizar arreglos en cascada tanto para calentar como para enfriar.

Dinámica de un intercambiador de calor

Un intercambiador tiene una dinámica especial, la misma que puede considerarse autoregulada.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )v p i C pdT tV c q c T t UA T t T c q c T t

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Modelado de un Intercambiador de Calor

Diagrama de bloque de un Intercambiador de Calor

3

3 [ ]/

V m TF m h

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Modificando el caudal de paso, se modifica la constante de tiempo, ocasionando el cambio de la dinámica.

Intercambiador típico con variables que intervienen en el control

(ver modelo desarrollado por Smith Corripio[1] y Cao [2])No existe cambio de fase de ninguna de las dos corrientes, entonces se utiliza calor sensible.Para determinar la característica dinámica se debe utilizar balance de energía (balance de calor)Se debe verificar el efecto de perdidas de calor en el sistema.

Control Convencional

Cambio en las condiciones de la corriente de procesoCambio en las condiciones del fluido calefactor(enfriador)Cambio en el propio proceso.Cambio de setpoint (SP) o referencia.

Control en cascada

Variable controlada: Se realiza la medición de la temperatura del salida del producto

Variable manipulada: Por medio de unan valvula de control se agrega o reduce la cantidad de fluido calefactor(enfriador)

Cuando ocurre una perturbación brusca como por ejemplo una variación en el caudal de la corriente de proceso o una variación en la temperatura del fluido calefactor, se produce en el sistema un desajuste en el control de la temperatura durante un periodo de tiempo largo.

La solución a este problema es utiliza un sistema de control feedforwardo adelanto.

Valvula de control IsoporcentualLa ganancia del sistema aplicando una valvula isoporcentual será lineal.

El controlador debe disponer un algoritmo PIDP dependerá del punto de operación del proceso y del rango de calibración del controlador.I corrige el error de estado estacionario a cero propia del control proporcional.D corregirá el retardo del proceso debido a cambios repentinos en el proceso.

Control FeedforwardSe requiere hacer uso de:Modelo en estado estacionarioCompensación dinámicaReajuste del controlador

Calculo de la ganancia feedforward

El control feed-forward actuara cuando:Se modifica la temperatura de entradaSe modifica el caudal de la corriente de proceso

La compensación dinámica actuara tan pronto el caudal de la corriente de proceso, aumentando el caudal de vapor.

Control Feed-forward modificadoSimilar al inicial con la diferencia de la existencia de un controlador de calor el lugar del cálculo de vapor a introducir.Se tiene tres controladores por tanto es más complejo (multivariable)

Adición de un función de retardo al controlador Feed-forward.

Tan pronto aumente el caudal de la corriente de proceso se producirá un aumento proporcional mayor en el caudal de vapor, disminuyéndose conforme alcanza el equilibrio.

Básicamente agrega calor en los primeros momentos del cambio de caudal para compensar el efecto de retardo, lo que se traduce en una menor desviación de la temperatura respecto a la referencia o consigna.

Control con válvula de tres vías.Otra forma de realizar el control es mediante la bifurcación del caudal del producto en dos caminos, esto se aplica cuando se requiere: Controlar el intercambiador cuando el caudal del proceso no puede ser modificado.

Control con válvula de tres vías.Obtener una velocidad de respuesta aceptable durante cambios de carga.La bifurcación implica llevar parte del producto por el intercambiador y otra parte por la línea de bypass.Cuando se hace circular el producto por el bypass se obtiene una alta velocidad de respuesta.

Implementación del esquema de controlPuede implementarse mediante Una válvula de tres víasDos válvulas de dos vías

Consideraciones prácticasExisten algunas consideraciones prácticas que pueden afectar el control de temperaturaVentajasSeguridadCosto económico menorDesventajasCorriente de proceso a temperaturas mayores a 200C en conexiones bridadas .Para mantenimiento de válvula de 3 vías es necesario el procesos fuera de servicioPuede existir confusión en la operación del grupo de válvulas manuales

Control con válvula de tres vías.

Control con válvulas de dos viasCon la idea clara de que las válvulas son instaladas para control de temperatura y no para otra función.Existen condiciones para la implementación de este esquema de controlLas dos válvulas deben tener el estado de falla opuesta.Las características inherentes de ambas debe ser lineal.El tamaño de ambas debe ser igual

Control con una válvula en el bypass

Este esquema de control es poco utilizado.Tiene un margen limitado de regulación.

Valvula de control en la línea de vaporControl de flujo

Válvula de control en la línea de vaporControl de presión

Valvula de control en la lineal de condensado

Valvulas de control en las líneas de vapor y condensado

Valvulas de control en las líneas de vapor y condensado

Elementos del sistema de controlValvulas solenoides

Elementos del sistema de controlValvulas

Elementos del sistema de control

Elementos del sistema de controlDispositivos de protección

Elementos del sistema de controlDispositivos de protección válvulas de alivio

Elementos del sistema de control

Aislantes termicos

Elementos del sistema de controlSeparadores de vapor