Pia Transferencia de Calor
Pia Transferencia de Calor
Pia Transferencia de Calor
INGENIERÍA QUÍMICA
Pasteurización de la leche
Equipo:
Grupo: 002
Unidad de aprendizaje: Transferencia de calor
Docente: Dr. David de Haro del Río
pH 6.6 - 6.8 7
I. La primera parte del proceso abarca el Tanque de balanceo, a este se carga por
un momento la leche bronca de los almacenes, este tanque tiene el propósito
principal de recibir la leche que sea recirculada del flujo 10 en caso de ser
necesario. El flujo volumétrico al cual entra la leche al proceso es de 3 𝑚3 /𝑠. En
condiciones normales de funcionamiento la leche que entra y sale de este tanque
se encuentra a temperatura de almacén (4° C) y a una presión de 4 bar.
II. En paralelo se tiene un flujo de agua caliente que va en dirección al
pasteurizador, este flujo de agua es el que tiene el propósito de calentar la leche
dentro de un intercambiador de placas hasta cerca de los 80° C para de esta
manera disminuir o inhibir la formación de bacterias.
III. La siguiente parte comprende dos bombas B1 y B3; la B3 causa la succión del
agua para su paso a través del proceso de calentamiento y la B1 causa la
succión de la leche para su paso a través del proceso de calentamiento en el
pasteurizador.
IV. La siguiente sección del proceso comprende un precalentador (Pre C), el cual es
un intercambiador en el cual el flujo caliente es el paso del flujo de leche de salida
del calentador pasteurizador. El flujo frío en este precalentador es la leche del
flujo 1.1 el cual viene del tanque de balanceo.
V. Para la sección más importante del proceso se considera un calentador el cual es
un intercambiador de calor de placas (pasteurizador) al cual por la parte superior
entra el fluido caliente (agua caliente) y sale más fría por la parte inferior del
extremo opuesto; la leche es el fluido frío y entra por la parte inferior del mismo
extremo por el cual entra el agua pero sale caliente por la parte superior del
extremo opuesto, ésta leche al salir es la que va al precalentador como el fluido
caliente. La leche sale de este proceso a una temperatura entre los 60° y 65° C.
VI. La siguiente sección comprende otro intercambiador de calor de placas
(enfriador) para el enfriamiento de la leche, esto en seguida después de ser
calentada para la inhibición del crecimiento bacteriano. La leche la cual en este
intercambiador es el fluido caliente entra por la parte superior y sale fría por la
parte inferior del extremo opuesto. El agua aquí es el fluido frío y entra por la
parte inferior del extremo donde entra la leche y sale por la parte superior del
extremo opuesto del intercambiador. La leche sale de este proceso a una
temperatura de 4° C.
VII. La penúltima parte comprende un Dispositivo Divisor de Flujo el cual se activa de
ser necesario para evitar la salida de la leche ya completamente pasteurizada al
embalaje, esto causa una recirculación de la leche al tanque de balance. Se
puede causar debido a una pasteurización incompleta cuando la leche no se
calienta o enfría a las temperaturas debidas, cuestiones de sanidad o
emergencias generales.
VIII. La última parte del proceso se da a lugar al funcionamiento normal del proceso y
comprende la salida de la leche pasteurizada a la planta embotelladora o de
embalaje.
Propuesta de cambio para el proceso de pasteurización de leche
Descripción de la propuesta
Para la propuesta de análisis del proceso de la pasteurización de la leche la
descripción del proceso es la misma que la que se toma para el proceso original ya
que se llevan a cabo los mismos procesos de calentamiento y enfriamiento de leche y
agua. Para esta propuesta se consideró cambiar el tipo de intercambiadores de calor
que se usan para la parte más importante de la pasteurización, la cual es el
calentamiento y el seguido enfriamiento de la leche. Originalmente el proceso
considera intercambiadores de placas, en nuestra propuesta se cambian a
intercambiadores de tubos y coraza.
Las ecuaciones más generales que se puede utilizar para los cálculos de un
intercambiador de calor son por medio de la Diferencia de Temperaturas Media
Logarítmica para usarse en la relación:
𝑄̇ = 𝑈 ∗ 𝐴 ∗ ∆𝑇𝑚𝑙
∆𝑇1 − ∆𝑇2
∆𝑇𝑚𝑙 =
∆𝑇
ln(∆𝑇1 )
2
Debido a que los intercambiadores de calor suelen operar durante mucho tiempo
se pueden considerar como aparatos con un flujo másico ,(𝑚̇), constante por lo
tanto la velocidad de transferencia de calor entre fluidos sera:
Para el fluido frio: 𝑄̇ = 𝑚̇𝑐 𝐶𝑝𝑐 (𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑,𝑠𝑎𝑙 − 𝑇𝑐𝑜𝑙𝑑,𝑒𝑛𝑡 )
Debido a que el método con medias logarítmicas toma en cuenta los coeficientes
convectivos de transferencia de calor así como la resistencia térmica del material
se tiene que:
1
𝑈=
1 1 𝑡
+ + + 𝑅𝑓ℎ + 𝑅𝑓𝑐
ℎℎ ℎ𝑐 𝑘𝑚
Donde:
𝑅𝑓𝑐 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑢𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑓𝑟í𝑜 (𝑚2 °𝐶/𝑊)
𝑅𝑓ℎ = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡é𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑏𝑖𝑑𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑐𝑟𝑢𝑠𝑡𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 caliente (𝑚2 °𝐶/𝑊)
Área 68.85 𝑚2
Área 20.00 𝑚2
Área 50.00 𝑚2
Corrientes de proceso propuesto
Área 68.65 𝑚2
Área 64.99 𝑚2
Área 2.016 𝑚2
B1 B2 B3 B4
Cabe recalcar que en los dos procesos estudiados se utilizan las mismas bombas,
estas no fueron modificadas por lo que los resultados siguen siendo los mismos en
los dos casos.
Finanzas para la instalación y operación de la planta
Costos referentes al proceso original de pasteurización
2,589,360 955,037
B1 4,100 28,700
B2 4,100 31,600
B3 4,100 31,600
B4 4,100 28,700
2,582,610 953,837
Tabla 12.- Costos del proceso propuesto
B1 4,100 28,700
B2 4,100 31,600
B3 4,100 31,600
B4 4,100 28,700
Se puede observar que el costo referente a las bombas no sufre un cambio debido a
que las condiciones se mantuvieron iguales en los procesos.
El precalentador tampoco se ve afectado debido a que en los dos casos se usa un
intercambiador de tubos y coraza, se debe prestar atención al intercambiador usado
para la pasteurización y enfriado.
Los resultados arrojan que si se opta por usar intercambiadores de tubos y coraza el
costo total disminuye por 6,750 USD y en el caso de costos de operación
representaría un ahorro de 1200 USD por año, podría parecer poco, pero para una
empresa es factible reducir costos, aunque estos sean mínimos.
El proceso original resultó ser el más costoso debido a que los intercambiadores de
placas son fabricados con materiales no corrosivos, estos ocupan un menor tamaño,
además, son más ligeros en comparación con los de otro tipo.
Con esta información es claro que se formule la pregunta, ¿entonces por qué se usa
otro tipo de intercambiador que es más costoso?, la respuesta es sencilla, la leche
que es el líquido pasteurizado tiene un pH ligeramente ácido, se puede intuir que si
se usan intercambiadores de tubos y coraza estos pueden comenzar a corroerse con
el tiempo, por lo que implicaría un costo adicional de mantenimiento que no está
considerado en los resultados anteriores.
Conclusiones
En este trabajo se analizó la importancia de saber elegir el intercambiador de calor
necesario para el proceso que se realiza, tomando en cuenta todos los factores que
influyen en él, y haciendo una propuesta para mejorar un proceso cambiando los
tipos de intercambiadores de calor, tomando en cuenta el costo que conlleva el
cambio del equipo, sin embargo aunque pareciera que cambiar el equipo fuera la
mejor manera de reducir costos en primera instancia, esta decisión comprometería
todo el proceso ya que los intercambiadores que utiliza actualmente el proceso son
mejores debido a la calidad del material, esto nos hace creer que el área de
oportunidad no necesariamente seria cambiar el tipo de intercambiadores de calor,
sino que se podrían analizar las bombas o añadir algún otro equipo al proceso, el cual
podría mejorar la producción o reducir costos de energía requerida.
Referencias