martes, 3 de enero de 2012

APLICACIÓN DE PRINCIPIOS BÁSICOS DE INGENIERÍA QUÍMICA


PARTE IV UNA TAZA DE CAFÉ

Hoy es el primer día en la guardería para mi hija de 20 meses y creo que ha sido más fuerte para mí que para ella, hasta el punto que he decidido preparar yo mismo el café de la oficina, para lo cual he tenido que pedir la ayuda de mis compañeros porque normalmente ni preparo café ni lo tomo. Después de unas cuantas tazas creo que comencé a sentir el efecto del café y me detuve a pensar cómo funciona la cafetera (una cafetera eléctrica como la mostrada en la figura 1). Por lo pronto lo único que conozco es que he llenado el compartimiento de la cafetera con agua y luego de encenderla, al cabo de pocos momentos, el agua comenzó a fluir desde el depósito a través de un tubo vertical hasta llegar a la parte superior donde se encuentra el café molido. ¿Cómo hizo el agua para fluir desde abajo hacia arriba? No, no es una bomba lo que impulsa el agua en contra de la fuerza de la gravedad. El agua almacenada en el depósito de la cafetera pasa a través de un pequeño orificio ubicado en el fondo del mismo y llena un tubo que está en contacto con el sistema de calentamiento del equipo y que tiene el otro extremo conectado al tubo vertical de la cafetera. El agua dentro de los tubos comienza a calentarse y es parcialmente vaporizada. La mezcla líquido-vapor tiene una densidad mucho menor a la del agua fría que aún se encuentra en el depósito. Si leyeron el artículo sobre presión publicado en este blog, sabrán  que una columna de fluido ejerce una presión en la base de la misma que es proporcional a su densidad. Por ejemplo, una columna de 321 pie de agua a 60°F genera una presión en la base de 100 psig, mientras que una columna con la misma altura pero de querosén a 60 °F (gravedad específica 0,75) generaría una presión de 75 psig. Volviendo a la cafetera, la diferencia de densidad genera también una diferencia de presión la cual hace que el fluido se mueva a través del tubo vertical. Volviendo al punto inicial, ¿cómo la estará pasando mi hija?



Figura 1

Para serles sincero, nunca pensé que existiera una similitud entre esta máquina de hacer café y el proceso de destilación. No se preocupen, no es el exceso de café de hoy lo que me hace pensar eso. Lo que acabo de explicar que ocurre dentro de la cafetera es el efecto termosifón. La mayoría de los rehervidores utilizados en las columnas de destilación son del tipo termosifón (la figura 2 muestra uno de los arreglos disponibles para un rehervidor termosifón), el cual funciona de la misma manera que la cafetera. En el fondo de la torre debe haber una columna de líquido que permite que este fluya a través del intercambiador de calor, donde es calentado y parcialmente vaporizado, produciéndose una diferencia de densidad que genera el movimiento del fluido de retorno a la torre. La figura 2 junto con la siguiente explicación fueron tomadas del libro A Working Guide To Process Equipment (3ª Edición) de Norman Lieberman y publicado por McGraw Hill. 


 Figura 2

De acuerdo a los datos mostrados en la figura:

  • La gravedad específica del líquido a la entrada del rehervidor es 0,6
  • La altura de líquido sobre la entrada del rehervidor es 20 ft
  • La gravedad específica de la mezcla líquido-vapor a la salida es de 0,061
  • La altura de la línea de retorno es 15 ft

Por lo tanto, la diferencia de presión es




Esta diferencia de presión representa la fuerza impulsora disponible para que la mezcla líquido-vapor pueda retornar a la columna, tomando en cuenta la pérdidas en las líneas de entrada y salida, en las boquillas y en el rehervidor.



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