Kitabı oku: «Preparar y acondicionar elementos y máquinas de la planta química. QUIE0108»

Capítulo 1
Fundamentos básicos en la operación de máquinas de la planta química
1. Introducción

Para desempañar operaciones con máquinas e instalaciones, ya sean de preparación, acondicionamiento, mantenimiento o reparación en una planta química, se deben adquirir al menos unos conocimientos mínimos sobre calor, temperatura, fluidos y electricidad que son la base del funcionamiento de estas máquinas e instalaciones.

Para ello es importante entender todo lo relativo a los conceptos de calor, temperatura y transferencia de calor, además de todas las características, propiedades y procesos relacionados con ellos.

Para los fluidos es conveniente conocer su naturaleza, sus propiedades y aspectos concretos como estática de fluidos, ecuación de estados de los gases o problemas relativos al manejo de estos.

Y por último, para la electricidad es necesario adquirir conceptos relacionados con la corriente eléctrica, tipos de corriente, propiedades, características y representación gráfica de sus instalaciones y máquinas.

2. Calor y temperatura

En todas las plantas químicas se producen multitud de procesos donde el calor y la temperatura están relacionados o son variables fundamentales de estos. Por ello es necesario conocer qué es el calor y la temperatura y cómo se lleva a cabo el proceso de transferencia de calor.

2.1. Naturaleza del calor

En la actualidad se sabe que los átomos y las moléculas (que son grupos de átomos) que forman la materia están en constante movimiento vibrando, rotando sobre sí mismos o chocando entre ellos, aunque el cuerpo que los constituye esté quieto.

Definición

Calor Es la energía que posee un cuerpo debido al movimiento constante de sus átomos y moléculas.

El calor es la energía asociada a este movimiento y por tanto la suma de las energías de las partículas que componen un cuerpo.

El calor está presente en todo tipo de materia independientemente de su estado y condiciones en las que se encuentre y, por tanto, todos los cuerpos tienen calor aunque estén a muy baja temperatura.

Además, también se sabe que los cuerpos pueden calentarse haciendo que se incremente la velocidad de sus átomos o moléculas y, por tanto, su calor, o enfriarse, es decir, disminuir la velocidad y, por tanto, su calor.

Si se introduce energía en un sistema, este se calienta y si elimina energía, se enfría. Por ejemplo, si una persona está fría se puede poner a correr para entrar en calor, o si bota una pelota, la energía de su movimiento se convierte en energía térmica o calor, que hace que cada vez rebote menos.

2.2. Diferencia entre calor y temperatura

La temperatura a la que se encuentra un cuerpo está, por tanto, relacionada con el calor, ya que mientras el calor es la energía total del movimiento de átomos y moléculas en una sustancia, la temperatura es una medida de la energía molecular media.

Definición

Temperatura Es el valor medio de la energía de los átomos y moléculas de una sustancia, debido a su constante movimiento.

Además, el calor hace que la temperatura aumente o disminuya, ya que si se añade calor a una sustancia, la temperatura aumenta, y si se quita calor, la temperatura disminuye. Por todo ello, las temperaturas más altas tienen lugar cuando las moléculas se están moviendo, vibrando y rotando con mayor energía.

La temperatura se puede medir con los termómetros, y con este valor se podrá conocer la cantidad de calor que contiene un cuerpo.

Termómetro

Además, mientras el calor depende de la velocidad de las partículas, su número, su tamaño y su tipo, la temperatura no depende del tamaño, ni del número, ni del tipo de partículas. Por ejemplo, la temperatura de una botella de agua puede ser la misma que la temperatura de un depósito de agua, pero el depósito tiene más calor porque tiene más agua y, por lo tanto, más energía térmica total.

Por todo ello, se puede llegar a la conclusión de que calor y temperatura no son lo mismo, pero sí están íntimamente relacionados, y matemáticamente mediante la siguiente ecuación:

Q = c · M · t

Donde, en unidades del S.I.:

1 Q = calor de una sustancia en julios (J).

2 c = calor específico de la sustancia en julio por kilogramo y por grados Celsius (J·Kg-1·ºC-1).

3 M = masa de la sustancia en kilogramos (Kg).

4 t = temperatura de la sustancia en grados Celsius (ºC).

Recuerde

No es lo mismo calor que temperatura.

El calor es la energía total del movimiento de átomos y moléculas en una sustancia y la temperatura es una medida de la energía molecular media.

El calor hace que la temperatura aumente o disminuya, ya que si se añade calor a una sustancia, la temperatura aumenta y viceversa.

2.3. Unidades de medida de calor y temperatura. Conversión de unidades

La unidad de energía y, por tanto, de calor en el Sistema Internacional de Unidades (S.I.U.) es el joule, que en castellano es el julio (J) y equivale a un newton por metro (N×m). En el Sistema Anglosajón de Unidades (S.A.U.) es la unidad térmica británica BTU (British Termal Unit), que es la cantidad de calor que se debe agregar a una libra de agua para aumentar su temperatura en un grado Fahrenheit. La relación entre ambos es:

1 BTU = 1.055,056 julios

Recuerde

Las unidades de calor son el julio, la caloría y el BTU.

Otra unidad de energía muy utilizada es la caloría (cal), que es la cantidad de energía que hay que suministrar a un gramo de agua para elevar su temperatura un grado Celsius, y cuya relación con el julio y con el BTU es:

1 cal = 4,187 J

252 cal = 1 BTU

Las escalas de medición de la temperatura se dividen en dos tipos, las absolutas y las relativas.

Recuerde

Las unidades de temperatura más usuales son el grado Kelvin y el grado Rankine como temperaturas absolutas, y el grado Celsius y el grado Fahrenheit como temperatura relativa.

1 Las escalas absolutas no tienen temperatura máxima y su temperatura mínima es el cero absoluto, es decir, aquella temperatura de un cuerpo cuyo potencial energético es nulo, su cuerpo no tiene absolutamente nada de calor.

2 Las escalas relativas toman como puntos de referencia dos temperaturas para establecer las diferentes escalas termométricas.

Las escalas relativas tienen temperaturas negativas y las absolutas no, y la temperatura absoluta es igual a la temperatura relativa más la temperatura absoluta del cero elegido en la escala de la temperatura relativa. Por ejemplo, ºK = °C + 273,15, ya que 0 ºC son 273,15 ºK.

En el S.I. se utiliza como escala absoluta el grado Kelvin y como escala relativa el grado Celsius:

1 En la escala de grado Celsius (°C), la escala es de cien unidades entre la temperatura de fusión y ebullición del agua, es decir, entre 0 °C y 100 °C respectivamente.

2 En la escala Kelvin (°K) el cero absoluto corresponde a -273,15 °C.

En el S.A. se tiene como escala absoluta el grado Rankine y como escala relativa el grado Fahrenheit:

1 En la escala Fahrenheit (°F), la escala es de cien unidades entre la temperatura de congelación de una disolución de cloruro amónico y la temperatura normal corporal humana. Estos puntos corresponden a 0 °F y 100 °F respectivamente.

2 En la escala Rankine (ºR) el cero absoluto corresponde a -459,67 ºF.

La relación entre las distintas unidades respecto a los grados Celsius es:

2.4. Transferencia de calor. Principios. Aplicaciones en la planta química

En multitud de operaciones en las plantas químicas se producen emisiones o absorciones de energía en forma de calor. Por ello, el estudio de la transferencia de calor y de sus aplicaciones tiene tanta importancia para esta actividad.

El calor como forma de transmisión de la energía

Se sabe que si se ponen en contacto dos objetos que tienen diferente temperatura se produce un flujo o transferencia de energía desde el más caliente al más frío hasta que ambos objetos alcancen la misma temperatura.

Esta energía transferida, debido a una diferencia de temperaturas de un cuerpo a otro se hace en forma de calor y se denomina transmisión o transferencia de calor.

Esto se debe a que la diferencia de temperaturas actúa como fuerza impulsora de la energía de un objeto de mayor temperatura a uno de menor.

Nota

Sin embargo, si se ponen en contacto dos objetos con la misma temperatura no habrá transferencia de energía porque la energía media de las partículas en cada objeto es la misma, y, por tanto, no hay fuerza impulsora.

Siempre que exista una diferencia de temperaturas en un cuerpo o entre cuerpos se dará una transferencia de calor y el cuerpo más caliente reducirá su temperatura y el más frío la aumentará hasta que ambos tengan la misma temperatura y se encuentren en lo que se denomina equilibrio térmico.

Además, a mayor gradiente de temperaturas o diferencia de temperaturas, mayor será la velocidad de transferencia de calor.

Estados de la materia (cambios de estado)

La materia se presenta en la naturaleza en forma de tres fases o estados diferentes según sea la energía intermolecular o el calor que posea: sólido, líquido y gaseoso. Hay un cuarto estado que es el plasma, pero tiene poca incidencia para esta actividad.

En el estado sólido las fuerzas de atracción intermolecular o de cohesión son muy fuertes, y mantiene su volumen y su forma definida. Sus partículas se ordenan en redes cristalinas y están dotadas de movimiento de vibración. Ejemplo: el hielo.

En el estado líquido las fuerzas de atracción intermolecular no son tan grandes y mantienen su volumen, pero adoptan la forma del recipiente que lo contiene mostrando una superficie libre. Sus partículas tienen libertad de movimiento pero están muy juntas. Ejemplo: el agua.

En el estado gaseoso las fuerzas de cohesión son tan débiles que el gas no tiene ni forma ni volumen propio, adoptan la forma del recipiente que los contiene y ocupan todo su volumen. Sus partículas tienen libertad de movimiento y están muy separadas debido a la fuerza de cohesión tan débil. Ejemplo: el vapor de agua.

Sabía que...

Se denominan vapores a aquellos gases que en condiciones normales de presión y temperatura, es decir, 1 atm y temperatura ambiente respectivamente, tienen como estado normal el estado líquido. Por ejemplo, el vapor de agua.

Si a un cuerpo en estado sólido se le aporta calor, aumentará su energía interna, logrando que sus moléculas puedan vencer determinadas fuerzas de cohesión, obteniéndose el estado líquido. Si se continúa aportando calor se llega a un punto en que la energía molecular es superior a las fuerzas de cohesión, rompiéndose totalmente estas y alcanzándose el estado gaseoso de la materia.

Por tanto, aportando calor a un cuerpo, este puede pasar de sólido a líquido y a gas, y de forma inversa, al enfriarlo se recorrerá el camino en sentido contrario. Estos son los cambios de estado más usuales, aunque se puede cambiar de estado de sólido a gas y de gas a sólido, aportando calor y enfriando respectivamente.

Importante

Se debe tener en cuenta que en estos cambios de fase no se producen transformaciones de estas sustancias en otras, son las mismas sustancias pero en otro estado.

Las diferentes transformaciones o cambios de fase en la materia son los que aparecen en la siguiente tabla.

Nota

Son procesos exotérmicos aquellos que desprenden energía o calor como la condensación, la solidificación o la cristalización. Son procesos endotérmicos aquellos que necesitan energía o calor para producirse como la fusión, la vaporización o la sublimación.

Propiedades térmicas de los productos (calor de fusión, calor de vaporización, calor específico)

Las propiedades térmicas que tiene cualquier sustancia son: calor de fusión, calor de vaporización y calor específico.

Calor de fusión y calor de vaporización

Como ya se sabe, una sustancia experimenta un cambio de temperatura cuando se calienta o se enfría, es decir, cuando absorbe o cede calor al ambiente que le rodea. A este calor se le denomina calor sensible.

Sin embargo, en el momento de cambio de fase, una sustancia absorbe o cede calor sin que se produzca un cambio de su temperatura. El calor que es necesario aportar o quitar para que una sustancia cambie de estado se denomina calor de cambio de estado o calor latente de la sustancia, y depende del tipo de cambio de fase.

La suma del calor sensible y calor latente se llama calor total o entalpía.

Los valores de calor de cambio de estados se establecen en las unidades de medida de kilojulios por kilogramo (KJ×Kg^-1) o kilocalorías por kilogramos (Kcal×Kg^-1) en el S.I., o en BTU por libra en el S.A. (BTU×lb^-1).

Ejemplo

Cuando se aplica calor (calor sensible) a un bloque de hielo a -25 ºC, va aumentando su temperatura hasta llegar a 0 ºC que es su temperatura de cambio de fase. A partir de entonces, aunque se le siga aplicando calor (calor de cambio de fase), la temperatura no cambia hasta que se haya fundido todo el hielo. Esto se debe a que el calor se emplea en la fusión del hielo. Una vez fundido el hielo, el calor (calor sensible) aplicado volverá a subir la temperatura hasta llegar a 100 °C. En ese momento, si se aplica calor (calor de cambio de fase) se mantendrá la temperatura invariable hasta que se evapore toda el agua. A partir de ese momento, si se aplica calor (calor sensible) seguirá aumentando la temperatura del vapor de agua.

El calor de cambio de estado, si se utiliza para cambiar el estado de sólido a líquido, se denomina calor de fusión, y si es para cambiarlo de líquido a gaseoso, calor de vaporización. Al cambiar de estado gaseoso a líquido y de líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía que el calor de vaporización y fusión respectivamente. En esos casos se denominan calor de condensación y de solidificación, pero no son tan conocidos como los anteriores.

Recuerde

Calor de fusión es el calor de cambio de estado para pasar del estado sólido al líquido.

Calor de vaporización es el calor de cambio de estado para pasar del estado líquido al gaseoso.

Calor específico

Como se sabe, cuando una cuchara metálica se deja en un plato de sopa caliente su temperatura sube rápidamente, lo que no ocurriría si la cuchara fuese de madera. Por tanto, no todas las sustancias aumentan su temperatura de igual manera cuando se les aporta la misma cantidad de calor.

Esto ha llevado a definir dos magnitudes, la capacidad calorífica y el calor específico.

Definición

Capacidad calorífica Es la cantidad de energía que hay que aportar a una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.

La capacidad calorífica indica la mayor o menor dificultad que tiene toda la masa de una sustancia para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende no solo de la sustancia a la que se aporta calor sino también de la cantidad de masa de la sustancia, es decir, es característico de un cuerpo concreto.

Ejemplo

La capacidad calorífica de un tanque de almacenamiento de agua es mayor que la de una botella de agua, ya que al primero hay que aportarle mucha más energía para aumentar su temperatura un grado.

Su unidad de medida en el S.I. es el julio por grado Celsius (J · ºC^-1), aunque también se utiliza calorías por grado Celsius (Cal · ºC^-1). En el S.A. su unidad de medida es el BTU por gado Fahrenheit (BTU · ºF^-1).

El calor específico es una propiedad que tienen las sustancias, independientemente de su tamaño, que indica la mayor o menor dificultad para experimentar cambios de temperatura cuando se le suministra calor. Depende solo de la sustancia a la que se aporta calor y, por ello, es característica de una sustancia concreta.

Definición

Calor específico Es la energía necesaria que hay que aportar a una unidad de masa de una sustancia para aumentar su temperatura en una unidad, es decir, en un grado.

Cuanto mayor sea el calor específico de una sustancia, más calor se necesita para aumentar la temperatura.

Con anterioridad se llegó a relacionar el calor (Q) de una sustancia con su temperatura (t), su masa (M) y su calor específico (c) por medio de la ecuación:

Q = c · M · t

Por tanto, si se quiere calcular el calor absorbido o emitido por una sustancia, se deberá utilizar la ecuación anterior teniendo en cuenta la temperatura final (tf) e inicial (ti) de la sustancia, mediante:

Q = c · M · (t_f - t_i )

Si el calor se absorbe, la temperatura final es mayor que la inicial, por lo que el valor del calor es positivo, y si se emite, será negativo.

Nota

Como ya se sabe, la unidad de medida del calor específico en el S.I. es el julio por kilogramo y por grado Celsius (Kcal · gr · K^-1), pero como en la práctica esta unidad es relativamente pequeña se utiliza kilocalorías por gramo y por grado kelvin (Kcal · gr^-1 · ºK^-1). Su unidad de medida en el S.A. es el BTU por libra y por grados Fahrenheit (BTU · lb^-1 · ºF^-1).

Para medir el calor específico y las cantidades de calor que absorben y liberan los cuerpos se utiliza el calorímetro.

Mecanismos de transferencia de calor (conducción, convección, radiación)

La transmisión de calor siempre se produce desde el cuerpo más caliente al más frío hasta que ambos alcanzan la misma temperatura. Este proceso se puede llevar a cabo mediante tres mecanismos diferentes, aunque con frecuencia aparecen simultáneamente:

1 1. Conducción.

2 2. Convección.

3 3. Radiación.

Conducción

El calor se transmite por conducción cuando se produce en un sólido la transferencia de energía desde las partículas más energéticas como resultado de interacciones entre estas partículas y sin que se produzca transferencia de masa.

Nota

Las sustancias tienen distinta conductividad térmica, es decir, capacidad para conducir calor, existiendo materiales conductores térmicos y aislantes térmicos.

Los conductores térmicos son aquellas sustancias que transmiten rápidamente la energía térmica de un punto a otro, como, por ejemplo, los metales.

Los aislantes térmicos son aquellas sustancias que transmiten lentamente la energía térmica de un punto a otro, como, por ejemplo, el vidrio, la madera o el corcho.

Estas interacciones en los sólidos se producen porque los átomos y moléculas de la zona que se calienta empiezan a vibrar más rápido y chocan con las partículas vecinas transmitiendo esa energía térmica. En los líquidos y gases es debido a las colisiones de las moléculas de mayor energía con las de menor energía mientras están en movimiento continuo.

Ejemplo

Cuando se calienta un extremo de una varilla metálica, el calor llega al otro extremo sin que haya movimiento alguno de la masa que constituye la varilla.

La velocidad de transferencia de calor o rapidez con que el calor se transmite a través de un medio en conducción depende del material del que esté hecho, de su espesor, de su configuración geométrica y de la diferencia de temperaturas a través de él.

Ejemplo

Si en una planta hay un depósito de agua caliente, si este está recubierto de fibra de vidrio que es un buen material aislante, tardará más tiempo en disiparse el calor acumulado que si no tiene ningún aislante. Cuanto más grueso sea el material aislante, menos rápida será la pérdida de calor. Además, cuanto más grande sea o mayor área superficial tenga por su configuración geométrica (para un mismo volumen un depósito con forma de cilindro tiene más superficie que uno esférico), más rápida será la pérdida de calor. Y por último, cuanto menor sea la temperatura en el lugar donde se encuentre el depósito, antes se producirá la pérdida de calor.

Convección

El calor se transmite por convección cuando este se transfiere de un punto a otro de un fluido, líquido o gas por el movimiento macroscópico de la masa del propio fluido, es decir, se transfiere calor mediante el transporte de materia.

Si el movimiento del fluido es forzado mediante medios externos como un agitador, un ventilador o una bomba, la convección se denomina convección forzada, y si el movimiento del fluido es causado por la diferencia de densidades creadas por la diferencia de temperatura existente en la masa del fluido se le denomina convección natural. Claramente, la convección forzada favorece mejor la transferencia de calor que la convección natural.

Ejemplo

Convección natural: si se calienta agua en un recipiente, el agua que está en el fondo se calentará antes, disminuyendo su densidad (la densidad disminuye con el aumento de la temperatura) y ascendiendo, y el agua de la superficie que se encuentra más fría y tiene mayor densidad, desciende, dando lugar a un proceso cíclico. Convección forzada: si se agrega al recipiente un agitador eléctrico que aumente el movimiento del agua favorecerá más la transferencia de calor, y se llevará a cabo antes.

Radiación

La radiación térmica es la energía emitida en forma de ondas electromagnéticas por la superficie de un cuerpo que ha sido excitado térmicamente.

Esta radiación térmica se emite en todas las direcciones, se propaga con la velocidad de la luz y si choca contra otro cuerpo, puede ser reflejada, transmitida o absorbida por este. No exige medio de transporte propagándose incluso a través del vacío.

Ejemplo

El sol transmite su calor por radiación, ya que las ondas electromagnéticas se propagan en el aire e incluso en el vacío.

Todos los cuerpos radian energía en función de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la energía de la radiación que emiten.

Aplicaciones de la transferencia de calor en la planta química

En las plantas químicas el calor se transfiere por medio de una variedad de equipos diseñados con el propósito de analizar la transferencia de calor. Entre estos se encuentran los intercambiadores de calor, las calderas, los condensadores, los hornos, los calentadores de resistencia eléctrica o los secadores de calor radiante. En este apartado se va a estudiar el intercambiador de calor que es el equipo que presenta mayor interés en relación con la transferencia de calor por su uso habitual en cualquier planta química.

Intercambiadores de calor

La transferencia de calor entre dos fluido casi siempre se produce en los intercambiadores de calor. Son equipos que facilitan el intercambio de este entre dos fluidos que están a diferente temperatura y al mismo tiempo evitan que se mezclen entre sí. La transferencia de calor se produce por convección en el fluido y por conducción a través de la pared que los separa. Fundamentalmente existen tres tipos de intercambiadores de calor: