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Proceso continuo y proceso bath

Todo proceso productivo se puede clasificar en función de cómo se realiza la entrada de materia prima, y de cómo se obtiene el producto a partir de ésta.

Se distingue principalmente entre proceso en continuo y proceso batch, aunque existen variantes que combinan características de ambos procesos.

  • Proceso en continuo. El flujo de entrada de materia prima al sistema es constante mientras dura el proceso de producción, siendo la salida de producto también constante.
  • Proceso batch (también conocido como proceso por lotes). La cantidad total de materia prima se introduce al sistema al comienzo del proceso, obteniéndose la cantidad total de producto transcurrido un determinado tiempo.

 

En aquellos procesos en los que se requiere un aporte o cesión de calor en el producto, el consumo energético y la duración del proceso es diferente si se realiza en continuo o si se realiza en batch.

Además, el tipo de proceso condiciona el tamaño del equipo de intercambio térmico requerido.

Algunos de los motivos comunes por los que se selecciona un proceso batch en lugar de en continuo son los siguientes:

  • La disponibilidad del producto a procesar o del servicio caliente o frío no es continua.
  • Se requiere un cierto tiempo de retención en el proceso, por ejemplo, para estabilización de las propiedades del producto o desarrollo de reacciones químicas.
  • Las labores de mantenimiento y/o limpieza suponen un tiempo importante del proceso.

 

Ejemplo. Supongamos que se requiere un caudal de 10.000 kg/h de agua caliente a 85 ºC para su consumo en un determinado proceso productivo, cuya duración es de 30 minutos. Para ello se dispone de agua de red a 20 ºC y se cuenta con vapor a 4,5 barg (155 ºC) como medio calefactor. Se desea realizar el calentamiento mediante un intercambiador de calor tubular.

Proceso en continuo

El caudal de agua caliente se alimenta de manera constante a lo largo del proceso.

 

Proceso en continuoFigura 1. Esquema de un proceso continuo con intercambiador de calor

 

El consumo total de agua será de 10.000 kg/h x 0,5 h = 5.000 kg.

El caudal de vapor a 4,5 barg requerido, según balance de energía, es de 1.300 kg/h, que se mantienen constantes a lo largo de todo el proceso.

  • Por lo tanto, el consumo total de vapor es de 1.300 kg/h x 0,5 h = 650 kg.

 

El intercambiador de calor tubular deberá ser capaz de calentar el caudal de agua desde 20 ºC hasta 85 ºC instantáneamente.

 

  • El diseñador deberá en primer lugar seleccionar un diámetro de carcasa con un número de tubos interiores adecuado al caudal de agua.
  • La longitud de los tubos deberá asegurar una superficie de intercambio suficiente, de acuerdo con la ecuación Q = U x A x LMTD, Q es la potencia de intercambio, U es el coeficiente global de transferencia de calor, A es el área de intercambio y LMTD es la diferencia logarítmica media de temperaturas.
  • Para saltos de temperatura importantes como el de este ejemplo (desde 20 ºC hasta 85 ºC) es habitual que el proceso continuo requiera de un intercambiador de calor con una gran longitud nominal, por ejemplo, 3.000 mm.

Proceso bach

La masa de agua caliente se alimenta antes de que comience el proceso.

Proceso batch (también conocido como proceso por lotes).Figura 2. Esquema de un proceso batch (por lotes) con intercambiador de calor

 

Para realizar el proceso en batch (proceso por lotes), será necesario un depósito con capacidad para acumular la masa total de agua necesaria, de 5.000 kg. Por lo tanto, el consumo total de agua es el mismo que en continuo. Pero hay diferencias respecto al proceso continuo:

  • En batch, es necesario un cierto tiempo t1 para acumular primero la masa total de agua a 20 ºC en el depósito.
  • Se requiere a continuación un cierto tiempo t2 para calentar esa masa de agua, desde 20 ºC hasta 85 ºC. Dependerá del caudal de recirculación, que no tiene por qué coincidir con el caudal de consumo (10.000 kg/h en este ejemplo).
  • El tiempo total de operación en batch será la suma de la duración del proceso (30 minutos en este ejemplo) más estos tiempos previos: es decir, t1 + t2 + 0,5 horas. Sin embargo, en el proceso en continuo, el tiempo total de operación coincide con la duración del proceso, de 0,5 horas.

 

Balance de energía

Por balance de energía, el caudal de vapor a 4,5 barg requerido es mayor al comienzo de la recirculación, cuando el agua se encuentra más fría (a 20 ºC en el arranque), y se va reduciendo en cada paso por el intercambiador tubular conforme el agua en el depósito se va calentando.

  • Supóngase que se establece un tiempo máximo de calentamiento t2 de 1 hora y se selecciona un caudal de recirculación de 7.500 kg/h: en este ejemplo, para calentar 5.000 kg de agua desde 20 ºC hasta 85 ºC se requieren 700 kg/h de vapor al comienzo de la recirculación, y 410 kg/h al final.
  • Aunque la disminución de caudal de vapor a lo largo del tiempo no es lineal, se puede aproximar el consumo total como la media de los consumos inicial y final: ½ x (700 kg/h + 410 kg/h) x 1 h = 555 kg. La reducción de consumo de vapor frente a un proceso continuo es importante, un 14,6%: 555 kg en lugar de 650 kg.

 

Al contrario de lo que ocurre en el proceso en continuo, el intercambiador de calor tubular en batch no tiene que satisfacer todo el salto de temperatura desde 20 ºC hasta 85 ºC instantáneamente, sino que irá realizando saltos parciales, cada vez menores, hasta completar el calentamiento.

  • En general, manteniendo el mismo diámetro de carcasa y el mismo número de tubos interiores que en el proceso continuo, la longitud nominal del intercambiador de calor para el proceso en batch será notablemente inferior.
  • Es habitual que el proceso batch requiera de un intercambiador de calor tubular de 1.500 mm de longitud nominal (la mitad que el proceso continuo de este ejemplo), con lo que el coste será inferior.

 

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