Se prefiere presurizar un líquido antes de calentarlo porque el bombeo requiere mucha menos energía mecánica que comprimir un caudal másico equivalente de vapor. Los líquidos tienen volúmenes específicos muy pequeños, por lo que el trabajo de bombeo necesario para aumentar su presión es comparativamente bajo. Las corrientes de vapor ocupan un volumen mucho mayor, lo que hace que la potencia de compresión, el tamaño del compresor, el coste del equipo, el ruido y la complejidad operativa sean considerablemente mayores.
El principio fundamental es realizar el aumento de presión en la fase con el menor volumen específico. Condense la corriente cuando sea práctico, bombee el líquido hasta la presión requerida y después caliéntelo o vaporícelo a dicha presión.
Por qué la presurización de líquidos requiere menos energía
El trabajo de la bomba depende del volumen específico del líquido
Para un líquido incompresible, el requerimiento ideal de trabajo de presión es aproximadamente:
[ W_{\text{pump}} \approx v_{\text{liquid}}(P_2-P_1) ]
donde (v_{\text{liquid}}) es el volumen específico del líquido.
Debido a que el volumen específico del líquido es pequeño y cambia poco con la presión, una bomba puede aumentar la presión de manera eficiente con una potencia de eje relativamente baja.
La compresión de vapor maneja volúmenes mucho mayores
Para un vapor, el trabajo correspondiente es aproximadamente:
[ W_{\text{compressor}}=\int_{P_1}^{P_2} v,dP ]
El volumen específico del vapor es mucho mayor que el del líquido. En el caso de los gases, también cambia significativamente durante la compresión, por lo que el compresor debe procesar un gran volumen y superar cargas mecánicas y térmicas considerables.
Por lo tanto, con el mismo caudal másico y el mismo aumento de presión, la compresión de vapor puede requerir órdenes de magnitud más de potencia que el bombeo de líquidos.
El cambio de fase se suministra en forma de calor
Después de presurizar el líquido, la corriente puede calentarse y vaporizarse a la presión más alta. La energía de vaporización necesaria se suministra principalmente mediante el calentador o el rehervidor como carga térmica, en lugar de mediante un compresor de funcionamiento mecánicamente intensivo.
Esto separa eficientemente las dos tareas:
- La bomba suministra el trabajo de presión.
- El calentador o rehervidor suministra el calor sensible y latente.
Por qué esta configuración reduce el coste del equipo
Las bombas son dispositivos de aumento de presión más sencillos
Las bombas para líquidos suelen ser compactas, estandarizadas y relativamente sencillas de operar. Sus sistemas de control y requisitos de mantenimiento suelen ser menos exigentes que los de los compresores de gases de proceso.
Esto es especialmente importante en plantas piloto y laboratorios educativos, donde la sencillez y la fiabilidad afectan directamente al coste operativo y a la disponibilidad.
Los compresores requieren sistemas auxiliares más importantes
Los compresores de vapor suelen requerir diseños especializados, accionamientos de mayor tamaño, protección contra sobrecargas, sistemas de lubricación, refrigeración, control de vibraciones y un control cuidadoso de las condiciones de aspiración. También pueden ser ruidosos y costosos de instalar.
El coste de capital asociado no se limita al propio compresor. Los cimientos, las tuberías, la instrumentación, los sistemas de seguridad y las disposiciones de mantenimiento también pueden volverse más importantes.
La presión puede aumentarse después de la condensación
En los sistemas de fraccionamiento, una corriente de vapor que finalmente deba entrar en una columna de mayor presión a menudo puede enfriarse por debajo de su punto de rocío y condensarse por completo primero. A continuación, el líquido resultante puede bombearse hasta la presión de la columna.
Esta disposición sustituye un compresor de vapor mecánicamente complejo por un condensador, una bomba para líquidos y los equipos de intercambio de calor asociados.
Por qué es útil en los sistemas de fraccionamiento
La presión de la columna puede requerir la presurización de la alimentación
Puede ser necesaria una columna posterior de mayor presión para la separación, la condensación, la integración del equipo o la recuperación del producto. Por lo tanto, la alimentación de vapor debe alcanzar la presión operativa posterior.
El hecho de que la compresión de vapor sea ineficiente no elimina la necesidad de aumentar la presión. Cambia la ruta preferida para lograrlo.
La condensación crea una oportunidad práctica para aumentar la presión
Una vez que el vapor se enfría por debajo de su punto de rocío, se convierte en una fase líquida con un volumen específico mucho menor. Entonces, la bomba puede aumentar la presión de manera eficiente antes de introducir la corriente en la columna de mayor presión.
Posteriormente, el líquido puede calentarse o vaporizarse parcialmente según lo requiera el proceso posterior.
La disposición demuestra un principio de diseño importante
Esta configuración ilustra una regla general de la ingeniería de procesos: utilizar equipos térmicos para cambiar de fase y equipos mecánicos para mover la fase que sea más fácil de presurizar.
También pone de manifiesto el equilibrio entre la energía térmica y la mecánica. Puede ser necesario un mayor enfriamiento y recalentamiento, pero el equipo mecánico y la demanda de potencia pueden reducirse sustancialmente.
Comprensión de las compensaciones
La condensación y el recalentamiento requieren un intercambio de calor adicional
La disposición de bombeo previo puede requerir que el vapor se enfríe, se condense, se bombee y posteriormente se recaliente. Estas etapas de transferencia de calor consumen energía térmica y requieren intercambiadores adicionales o una mayor capacidad de servicios auxiliares.
La mejor configuración depende de si se dispone de servicios de refrigeración y calentamiento adecuados y de si el proceso puede recuperar internamente el calor.
En algunos servicios puede seguir siendo necesario un compresor
Si la corriente debe permanecer en fase vapor, la condensación puede ser inaceptable. Esto puede ocurrir debido a las especificaciones del producto, los requisitos de la reacción, problemas de contaminación o la ausencia de una temperatura de condensación práctica.
En esos casos, la compresión de vapor no es simplemente una alternativa ineficiente; puede ser la única opción técnicamente adecuada.
La presión y la temperatura pueden afectar el comportamiento de las fases
La condensación solo es práctica cuando la corriente puede enfriarse hasta una temperatura adecuada considerando su composición y presión. Las mezclas multicomponentes pueden tener intervalos amplios de condensación en lugar de una única temperatura de condensación.
Por lo tanto, el diseño debe verificar el comportamiento del punto de rocío, las condiciones de aspiración de la bomba, el margen frente a la cavitación, la compatibilidad de los materiales y la condición de alimentación de la columna posterior.
El bombeo de una corriente bifásica no es recomendable
La bomba debe recibir una alimentación suficientemente líquida. Si queda vapor en la entrada de la bomba, pueden producirse cavitación, funcionamiento inestable, pérdida de capacidad y daños mecánicos.
El condensador y el recipiente deben garantizar una formación fiable de líquido y una altura de aspiración adecuada.
Cómo elegir la opción adecuada para su objetivo
La configuración preferida depende de la fase requerida, los servicios disponibles y la integración general del proceso.
- Si su objetivo principal es minimizar la potencia mecánica: Condense la corriente cuando sea práctico, bombee el líquido hasta la presión requerida y caliéntelo o vaporícelo después.
- Si su objetivo principal es minimizar la complejidad del equipo: Prefiera una bomba para líquidos y los intercambiadores de calor convencionales en lugar de un compresor de vapor cuando el proceso permita la condensación.
- Si su objetivo principal es mantener una alimentación en fase vapor: Utilice un compresor, porque la penalización energética y de capital puede ser inevitable cuando la condensación no es aceptable.
- Si su objetivo principal es la operación a escala piloto o de laboratorio: Prefiera la condensación seguida del bombeo cuando cumpla los requisitos del proceso, ya que generalmente es más sencilla, silenciosa y fácil de controlar.
La estrategia más eficiente para aumentar la presión suele consistir en presurizar la corriente mientras está en estado líquido y después suministrar el calor necesario a la presión elevada.
Tabla resumen:
| Consideración | Bombeo de líquido antes del calentamiento | Compresión de vapor antes del calentamiento |
|---|---|---|
| Demanda energética | Baja, debido al pequeño volumen específico del líquido | Alta, porque el vapor ocupa mucho más volumen |
| Equipo | Bomba compacta y estandarizada | Compresor de mayor tamaño con sistemas auxiliares especializados |
| Operación | Generalmente más sencilla, silenciosa y fácil de controlar | Requiere un control cuidadoso, refrigeración, lubricación y protección contra sobrecargas |
| Mejor aplicación | Cuando la corriente puede condensarse antes de la presurización | Cuando la alimentación debe permanecer en fase vapor |
| Comprobación de diseño clave | Garantizar la condensación completa y una altura de aspiración adecuada de la bomba | Confirmar la capacidad del compresor, la refrigeración, las vibraciones y los requisitos de seguridad |
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