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Tecnológico Nacional de México Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez

Asignatura: Mecanismo de Transferencia Practica: Escalamiento de Equipos

Catedrático: Ing. Jorge Ciro Jiménez Ocaña

Alumno: Perez Gonzalez Jose Alfredo

Fecha de realización: 23 de Febrero de 2019

Periodo: 28 de Enero- Mayo 2019

Escalamiento de Equipos

El escalamiento es una herramienta vital para la ingeniería química, con ella se pueden reducir errores en diseños directos, debidos a correlaciones inexactas o a la falta de información. La finalidad de esta investigación es presentar el concepto de escalamiento desde la perspectiva de la ingeniería química, haciendo un recorrido por las bases, principios y factores que intervienen cuando se requiere escalar procesos y/o equipos por medio de las reglas de similaridad. Se presenta además la interacción directa que tiene el escalamiento con las plantas piloto, como punto de partida para generación de conocimiento, experiencia,desarrollo de nueva tecnología, etc., con la finalidad de fundamentar la toma de futuras decisiones en nuevas o ya existentes plantas de proceso. La conclusión a la que se llega es que al realizar un adecuado uso de las reglas de similaridad sumado al análisis dimensional permiten la simplificación de cálculos y una mayor efectividad en el dimensionamiento y diseño de equipos a partir de datos de laboratorio o plantas piloto. Las plantas piloto son un elemento muy importante tanto en la formación de ingenieros como en el escalamiento de equipos o procesos, pues son fuente de información y generación de conocimiento, además de que permiten la realización de análisis económicos más asertivos para la toma de decisiones en cuanto a la seguridad en inversiones.

Escalamiento

El concepto de “Escalamiento” parte de la propia definición de medida. Medir es asignar números a las propiedades de los objetos u operaciones, de acuerdo con ciertos criterios y reglas. Pues bien, el escalamiento es el proceso mediante el cual se desarrollan los criterios y las reglas de asignación numérica que determinan las unidades de medidas significativas para llevar de un tamaño dado a otro mayor o menor operación u objeto. Escalar en si es un proceso o equipo convertido de su escala de investigación (puede sr un laboratorio o piloto) a escala industrial (producción). Por ejemplo, en un laboratorio de investigación se desarrolla un nuevo producto con valor comercial por medio de una reacción química usando equipos de frascos, matraces, mecheros y hasta en algunos casos agitadores. El Ingeniero Químico es un profesionista capacitado para poder llevar este nuevo producto al mercado mediante escalonamiento lo cual es analizar las condiciones de reacción y los factores de influencia para definir los equipos necesarios (tales

como bombas, intercambiadores de calor, reactores etc.) y proponer el proceso en masa del producto. En un principio, el escalamiento se entendía como el simple hecho de hacer más grandes las cosas. Afínales del siglo XIX, los químicos alemanes, capaces de producir en el laboratorio muchas sustancias de muy alto valor comercial (incluso político) no eran capaces de reproducirlos a gran escala con la misma calidad, rendimiento y pureza. Cambiar los matraces por retortas no era suficiente para producir a gran escala un producto determinado. Se dieron cuenta que escalar una reacción química del laboratorio a nivel industrial requería de un conocimiento mayor al de la simple química. Y esto quedó demostrado cuando aparece el método Haber-Bosch (para la síntesis de amoníaco), el cual tomaba en cuenta las características tanto físicas como químicas de la reacción, así como también del equipo necesario para realizarla. Es entonces que la ingeniería química prueba que es necesario integrar a la física y a la química para el escalamiento de procesos y que es la única disciplina dela ingeniería que es capaz de hacerlo.

La Ingeniera Química como eslabón en la industria En la actualidad, la complejidad de las necesidades humanas así como el avance tecnológico hacen cada vez mas complicadas las operaciones de escalamiento pues ya no solo se desea escalar hacia las grandes naves industriales sino también hacia la micro escala y la nano producción. Ya no son solo la quiica y la física, las únicas disciplinas que pueden intervenir en el escalamiento. Una de las actividades principales de la ingeniera es el dimensional izar el equipo de mayor involucrado en el proceso. Equipo tal como: reactores químicos, columnas de destilación, columnas de absorción, etc. Para el dimensionamiento se puede usar dos métodos generales: 



Selección y Diseño de Equipo: Este método incluye la selección de equipo de fabricación estándar asi como aquel que se diseña en base o en correlaciones, ecuaciones de diseño, modelos etc. Escalamiento de datos pilotos: Este método implica dimensionalizar el equipo mediante el uso de ecuaciones de escala que resultan al comparar el sistema industrial y el sistema piloto.

Con el propósito de discutir los métodos o técnicas de escalamiento mas usadas y su aplicación al diseño de procesos es que pone a consideración este trabajo.

¿Qué es y que no es un escalamiento?



El escalamiento es una técnica de diseño para definir un sistema grande a partir de un sistema pequeño. Es decir, de una planta piloto se obtiene los datos de diseños necesarios, los cuales a través de una técnica adecuada de escalamiento nos sirven para definir la planta industrial.

Planta Piloto

Datos de diseño

Escalamiento

Planta Piloto

O bien de una planta industrial existente se obtienen datos de diseño, los cuales usados con una técnica de escalamiento, adecuada nos sirven para definir una planta industrial de capacidad o de tamaño diferente. Planta Piloto

Datos del diseño

Escalamiento

Planta Industrial de Diferente tamaño

El Escalamiento no es un método de Simulación, el Escalamiento no predice por ejemplo:  

Que sucede si la razón del reflujo en la columna aumenta de 1.8 a 3.4. Que sucede si la conversión del reactor aumenta a 50° C

Para poder contestar este tipo de preguntas se pueden seguir básicamente dos técnicas:  

Una técnica de Simulación: Que implica el uso de modelos matemáticos que reproducen el comportamiento del sistema. También se pueden realizar experimentación en un sistema similiar al sistema bajo estudio.

Estas pruebas se realizan en: Plantas Piloto Es un elemento necesario para poder hacer un escalamiento. La planta piloto es una unidad pequeña que involucra todos los principales equipos de procesos industriales que se desean escalar.

Las plantas pilotos son usadas para obtener los datos de diseño necesarios para definir la planta industrial y también para probar la operabilidad de un proceso industrial durante un largo tiempo. Las argumentaciones de las Plantas Pilotos son las siguientes:     

Retrasan la comercialización del proceso debido al tiempo de construcción Cuestan mucho dinero Determinan los factores relacionados con la calidad del producto. Proporcionar una demostración convincente para los usuarios de la Tecnología. Factores de Escala

Un factor de escala es un valor que, multiplicado por medidas y coordenadas decimales, da lugar a números enteros que tienen como mínimo el mismo número de dígitos significantes que las medidas y coordenadas originales.

Coordenas Cartesianas Coordenas cilíndricas Coordenas Esfericas

|𝑑𝑟| = ℎ𝑑𝑞 Hx=1 Hr=1

𝜑𝑟 𝜑𝑞 Hy=1 ℎ𝑟 = 𝑟𝑆𝑒𝑛Θ ℎ1 =

¿En que se basa el Escalamiento? Se basa en el principio de similaridad que establece que: “La configuración de un sistema físico está determinado por relaciones entre magnitudes del sistema” En un proceso químico están relacionadas las siguientes magnitudes:    

Proporciones Geométricas Gradientes de Velocidad Gradientes de temperatura Gradientes de Concentración Como se aplica el principio de similaridad Implica partir del sistema físico a estudiar y pueden ser dos caminos

Ahora bien para obtener las relaciones de escalamiento se usa la ecuación:

𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝐼𝑛𝑑𝑢𝑠𝑡𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐸𝑐𝑢𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑃𝑖𝑙𝑜𝑡𝑜

= λ Ecuación

Es decir que resulta de dividir la ecuación para el sistema industrial por la misma ecuación pero ahora aplicada al sistema piloto.

¿Cuáles son las Ecuaciones de Escala más usuales? Dentro de las ecuaciones de escalamiento se pueden encontrar: 

Ecuaciones de similaridad: Las cuales son igual a grupos adimensionales. Momentum Convección Libre

Convención Forzada



𝑷𝑽𝑳 𝑴 𝑪𝒑𝑴 𝒌 𝑪𝒑𝑴 𝒌

𝑽^𝟐 𝑳𝒈 𝜷𝒈∆𝑻𝑳^𝟑𝝆^𝟐 𝝁^𝟐 𝑷𝑽𝑳 𝑴

Ecuaciones de Extrapolación: Que resultan de la igualdad de correlaciones 𝐻𝐿 𝐿𝑉𝜌 𝑋 𝐶𝑝𝜇 𝑦 =( ) ( ) 𝑘 𝜇 𝐻



Ecuaciones de Diseño: Que resultan de la igualdad de ecuaciones de diseño

𝑞 =∪ 𝐴∆𝑇𝑚𝑙 𝜆𝑞 = 𝜆 ∪ 𝜆𝐴 𝜆∆𝑇𝑚𝑙

El análisis dimensionales una poderosa herramienta que permite simplificar el estudio de cualquier fenómeno en el que estén involucradas magnitudes físicas. Su resultado fundamental, permite cambiar el conjunto original de parámetros de entrada dimensionales de un problema físico. Finalmente, el análisis dimensional también es una herramienta útil para detectar errores en los cálculos científicos e ingenieriles. Con este fin se comprueba la congruencia de las unidades empleadas en los cálculos, prestando especial atención a las unidades de los resultados. Para reducir un problema dimensional a otro adimensional con menos parámetros, se siguen los siguientes pasos generales:    

  

Contar el número de variables dimensionales n. Contar el número de unidades básicas (longitud, tiempo, masa, temperatura, etc...) m Determinar el número de grupos adimensionales. Número de Π= n- m. Hacer que cada número Π dependa de n - variables fijas y que cada uno dependa además de una de las variables restantes (se recomienda que las variables filas sean una del Fluido, una geométrica y otra cinemática). El número Π que contenga la variable que se desea determinar se pone como función de los demás números adimensionales. El modelo debe tener sus números adimensionales iguales a las del prototipo para asegurar similitud. Se determina la dependencia del número adimensional requerido experimentalmente.

Conclusiones: Como conclusión particular se estudió la importancia que tiene la ingeniería química en el proceso el cual llamamos Escalamiento de equipos y procesos para poder asi cumplir con las necesidades de producción y consumo. El escalamiento es una herramienta muy fundamental para la ingeniería química. Con ella se pueden reducir errores en diseños directos debido a correlaciones inexactas. También se aclaran que las plantas pilotos son uno de los elementos más importantes tanto en la información de ingenieros, pues es la base de información para poder realizar un análisis mas asertivo