DISEÑO TERMODINAMICO METODO DE SIEDER-TATE (KERN) INTRODUCCION A continuación reseñare de forma muy sintética la metodología a seguir, dadas las circunstancias no podemos hacerlo en forma presencial Recuerden que cualquier duda la resolvemos en el horario de clase y mediante la aplicación TEAMS La entrega de su intercambiador bajo las características ya especificadas (de igual forma subiré una rubrica al espacio donde deberán subir su diseño) será el 3 de abril del presente año hasta las 14 hrs. como fecha y hora limite; estén atentos a la rubrica para que la consideren. IQI CoK 2 Tendremos que considerar algunos aspectos teóricos, que a continuación resumo: Los cambiadores de calor, son parte integrante de un proceso, lo que debe tenerse en cuenta para su diseño, evitando el diseño como si fuera un equipo aislado. Cambiador de envolvente. calor de tubos y Este tipo se derivó del de doble tubo y es el más ampliamente usado. La superficie de calentamiento consiste en un número de tubos espaciados, encerrados en una coraza circular con un fluido circulando dentro de los tubos y el otro fuera de ellos. Este tipo de cambiador de calor es el que se diseñara por parte de ustedes. IQI CoK 3 Un cambiador de calor de tubos y envolvente, está compuesto normalmente de tres partes: • Envolvente • Haz de tubos • Cabezales Estas partes son las que utiliza para su clasificación el código TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Assosiation ) IQI CoK 4 Un cambiador de calor de tubos y envolvente, está compuesto normalmente de tres partes: • Envolvente • Haz de tubos • Cabezales Estas partes son las que utiliza para su clasificación el código TEMA (Tubular Exchangers Manufacturers Assosiation ) Según las necesidades del proceso, los intercambiadores de calor de tubos y envolvente se construyen en variadas formas El haz de tubos puede estar formado por tubos lisos o aletados, normalmente en la mayoría de los casos son utilizados tubos lisos, ya que los tubos aletados, generalmente se utilizan en los equipos donde interviene algún gas del lado de la envolvente, para algunos condensadores y cuando se tienen líquidos viscosos. Los materiales de los tubos pueden ser varios, como son: Acero al carbón. Aleación cobre-níquel 70-30. Acero inoxidable de varios tipos. Aluminio-Cobre. Cobre. Aluminio Admiralty Latón. IQI CoK 5 Se puede obtener una gran variedad de espesores de pared según las presiones a las que se vaya a trabajar. El espesor de la pared está definido por el calibre Birminham para alambre, que en la práctica se le conoce como calibre BWG para tubos de intercambiadores de calor o condensadores. Los más empleados son de ¾” y 1” de diámetro exterior. Cuando se espera tener incrustación dentro de los tubos, se recomienda utilizar tubos mayores, ya que tubos de diámetros menores son imprácticos para la limpieza mecánica. de ¾” o Los cabezales sirven para que el fluido que va por los tubos penetre al equipo por las boquillas y se dirija hacia los tubos para salir al otro cabezal y abandonar la unidad por la otra boquilla. Cuando se tienen más pasos en los tubos, un cabezal sirve como cabezal de retorno y el otro lleva las dos boquillas, las de entrada y salida del equipo. IQI CoK 6 FACTORES QUE AFECTAN EL DISEÑO DE CAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y ENVOLVENTE. Las dos variables del proceso que tienen mayor influencia en el tamaño y por lo tanto en el costo de un cambiador de calor son; 1.- Las caídas de presión disponibles en ambas corrientes. 2.-La diferencia media de las temperaturas entre las dos corrientes. Otras variables que son de importancia son las propiedades físicas de las corrientes, la localización de los fluidos en el cambiador y el arreglo de la tubería, para que los tubos entren y salgan. IQI CoK 7 1.- CAIDA DE PRESION ∆P. La selección de caídas de presión óptimas, involucra considerar el proceso como un todo, por experiencia se sabe que caídas de presión grandes dan por resultado cambiadores de calor mas pequeños, pero el ahorro en inversión se hace a expensas de los gastos de operación. Solo tomando en cuanta la relación entre los costos de inversión y operación, se puede calcular la ∆P mas económica. Las caídas de presión disponibles pueden variar de unos cuantos mmHg trabajando a vacío hasta decenas de Lbs/pulg. 2 en procesos de alta presión. En algunos casos no es práctico utilizar toda la ∆P disponible debido a que las altas velocidades resultantes pueden causar problemas de erosión. IQI CoK 8 Les indico una lista de ∆P razonables para varios niveles de presión. NIVELES DE PRESION ∆P RECOMENDABLES Sub-atmosfera 1/10 de la presión absoluta DE 1 A 10 PSIG ½ De la presión manométrica de operación. De 10 psig en adelante 5 psi y mayor. Un diseño para caídas de presión más pequeños son generalmente antieconómicos. En algunos casos, velocidades de 10 a 15 Ft/seg. Ayudan a reducir la incrustación, pero a tales velocidades la ∆P puede variar de 10 a 30 psig , por lo tanto el diseño se deberá ajustar a los requerimientos del proceso. IQI CoK 9 DIFERENCIA MEDIA DE TEMPERATURAS Las temperaturas de entrada y de salida de los fluidos del proceso y los niveles de temperatura de los fluidos de servicio, se seleccionan normalmente en las primeras etapas del diseño de la planta. Cuando se eligen los niveles de temperatura, se debe tomar en cuenta que una temperatura mayor del medio de calentamiento o menor de enfriamiento produce mayores diferencias medias de temperaturas; si estas diferencias son excesivas puede ocurrir que se produzcan incrustaciones, descomposición del producto y/o precipitación de materiales. Aunque no existen reglas específicas para determinar la aproximación ( diferencia entre las temperaturas de entrada y salida de los distintos líquidos ) que sea mayor. A continuación se incluyen algunas que ayudaran a fijar la diferencia de temperaturas, terminales para varios tipos de cambiadores de calor; cualquier desviación de estas limitaciones generales se deberá justificar económicamente por medio de un estudio de alternativas. IQI CoK 10 1).- La mayor diferencia de temperaturas debe ser de 20°C cuando menos. 2).- La menor diferencias de temperaturas debe ser de 5°C como mínimo. Cuando se esté intercambiando calor entre dos corrientes del proceso la diferencia de temperaturas mínima deberá ser de 20°C como mínimo. 3).- Cuando se enfría una corriente de proceso con agua, la temperatura de salida del agua no deberá exceder la temperatura de salida de la corriente del proceso, si el cambiador tiene un paso en la envolvente y más de un paso en los tubos. 4).- Cuando se enfría o condensa un fluido, la temperatura del medio de enfriamiento debe de ser cuando menos 5°C mayor que el punto de congelación del fluido enfriado o condensado. 5).- Para enfriamiento de reactores se debe de mantener una diferencia de temperaturas de 10 a 15 ° C entre la temperatura de reacción y la temperatura del medio de enfriamiento para permitir mejor IQI CoK 11 control de la reacción. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS. Localización: Los datos de propiedades físicas de los fluidos deberán ser tan exactos como sea posible, pero debido al hecho de que la mayoría de las propiedades físicas de mezclas se calculan y estiman, no se ha insistido en determinar las verdaderas temperaturas de películas, y se considera que los datos de propiedades físicas a las temperaturas promedios de los fluidos son suficientes. Para calcular cambiadores de calor de tubos y envolvente se necesitan datos de: Calor específico ; densidades, conductividad térmica y viscosidad. 1.- Corrosión: Se necesitan menos aleaciones costosas o componentes con clad-steel cuando el fluido corrosivo va por dentro de los tubos. 2.- Incrustación : Esta puede ser disminuida poniendo el fluido incrustante del lado de los tubos, para permitir mejor control de la velocidad, el incremento de velocidades tiende a disminuir la incrustación, los tubos rectos se pueden limpiar fácilmente sin mover el haz de tubos y se puede hacer la limpieza química con más facilidad en el lado de los tubos. 3.- Temperatura: Cuando debido a altas temperaturas se necesitan aleaciones especiales, se necesitan menos componentes de aleación especial cuando el fluido caliente va por los tubos. 4.- Presión: Si se coloca la corriente de alta presión del lado de los tubos se tendran menos componentes de alta presión. 5.- Caída de Presión: Para la misma caída de presión se obtiene coeficientes de transferencia de calor mayores en el lado de los tubos. Cuando un fluido tenga una caída de presión muy pequeña se deberá poner en el lado de los tubos. 6.- Viscosidad: Se obtienen mayores velocidades y mayor transferencia de calor, si se pone el fluido viscoso del lado de la envolvente. 7.- Fluidos tóxicos y letales : Generalmente el fluido tóxico se pone del lado de los tubos debiendo usarse doble espejo para minimizar la posibilidad de fuga. 8.- Flujo: Poniendo el fluido con flujo menor del lado de la envolvente se obtiene un diseño más económico. Existe turbulencia del lado de la envolvente a velocidades masIQIbajas CoK que del lado de los tubos. 12 TAMAÑO DE LOS TUBOS Y ARREGLO. Diámetro del tubo y longitud. Los diseños de tubos pequeños (5/8 a 1 “ ) son más compactos y más económicos que los de diámetro grande, aunque estos últimos pueden ser necesarios cuando la ∆P disponible del lado de los tubos sea pequeña, o exista gran posibilidad de incrustación. El tamaño del tubo más pequeño usado normalmente en la industria es de 5/8”, aunque existen aplicaciones especiales en que se utilizan tubos de ½” , 3//8” ó de ¼” de diámetro , los tubos de 1” son los utilizados cuando se espera que exista incrustación debido a que los tamaños más pequeños son imprácticos para ser limpiados mecánicamente. Debido a que la inversión por unidad de área de transferencia de calor es menor para cambiadores largos con diámetros de la envolvente relativamente pequeños, las restricciones con respecto a la longitud de los tubos son mínimos, siendo las longitudes comárcales de 8,10,12,14,16,18 y 20 pies. Arreglo: Los tubos pueden tener arreglo triangular, cuadrado o rómbico. IQI CoK 13 IQI CoK 14 TAMAÑO DE LOS TUBOS Y ARREGLO. Diámetro del tubo y longitud. Los diseños de tubos pequeños (5/8 a 1 “ ) son más compactos y más económicos que los de diámetro grande, aunque estos últimos pueden ser necesarios cuando la ∆P disponible del lado de los tubos sea pequeña, o exista gran posibilidad de incrustación. El tamaño del tubo más pequeño usado normalmente en la industria es de 5/8”, aunque existen aplicaciones especiales en que se utilizan tubos de ½” , 3//8” ó de ¼” de diámetro , los tubos de 1” son los utilizados cuando se espera que exista incrustación debido a que los tamaños más pequeños son imprácticos para ser limpiados mecánicamente. Debido a que la inversión por unidad de área de transferencia de calor es menor para cambiadores largos con diámetros de la envolvente relativamente pequeños, las restricciones con respecto a la longitud de los tubos son mínimos, siendo las longitudes comárcales de 8,10,12,14,16,18 y 20 pies. IQI CoK 15 El arreglo triangular da mejores coeficientes del lado de la envolvente y da más área de transferencia de calor para el mismo diámetro, mientras que los arreglos cuadrado y romboidal son utilizados cuando se requiere limpieza mecánica del lado de la envolvente. Los arreglos cuadrado y romboidal dan menores ∆P aunque coeficientes más bajos que el arreglo triangular. IQI CoK 16 COMBINACIONES DE MATERIALES PARA LA FABRICACIONES COMBINACION DEMATERIALES PARA CAMBIADORES DE CALOR PARTE DEL CAMBIADOR ENVOLVENTE BAFLES,TIRANTES Y ESPACIADORES CABEZALES ESPEJOS TUBOS FLUX 1 AC. AL C. AC. AL C. AC. INOX AC. INOX AC. INOX 2 AC. AL C. AC. INOX AC. INOX AC. INOX AC. INOX IQI CoK 3 AC. INOX AC. INOX AC. INOX AC. INOX AC. INOX 4 AC. INOX AC. INOX AC. AL C. AC. INOX AC. INOX 5 AC. AL C. AC. AL C. AC. AL C. AC. AL C. AC. AL C. 6 7 AC. AL C. AC. AL C. NO AC. AL C. FERR. AC. AL C. AC. AL C. NO FERR. AC. AL C. NO FERR. NO FERR. 17 CLASIFICACION DE CAMBIADORES DE CALOR DE TUBOS Y ENVOLVENTE SEGÚN SU USO. En la industria se utilizan muchos tipos de equipos para la transferencia de calor y son clasificados según el uso que se les de dentro del proceso. • Enfriador ( Chiller ). Enfría un fluido a una temperatura menor que la que se obtendría si se utilizara agua de torre como medio de enfriamiento. Este tipo de equipo utiliza un refrigerante ya se a freón o amoniaco . • Condensador. Condensa un vapor o mezcla de vapores solos o en presencia de un gas inconfesable. • Condensador Parcial. Condensa vapores hasta un punto bastante alto para proveer una diferencia de temperaturas suficiente para precalentar una corriente fría del fluido del proceso. De esta forma se ahorra calor y se elimina la necesidad de utilizar un precalentador por separado. • Condensador final. Condensa los vapores hasta la temperatura final de almacenamiento, aproximadamente 32° C utilizando agua como medio de enfriamiento, lo cual significa que el calor transferido es perdido del proceso. • Enfriador ( Cooler ). Enfría líquidos o gases utilizando agua como medio de enfriamiento, por lo que también el calor transferido e perdido del proceso. IQI CoK 18 • Cambiador. Calienta un fluido frío utilizando un fluido caliente, el cual se enfría , nada del calor transferido es perdido, lo que determina la eficiencia de la transferencia de calor. Es la capacidad con que el fluido frío recoge calor aprovechable del fluido caliente. • Calentador. Imparte calor sensible a un líquido o a un gas por medio de vapor condensado. • Rehervidor. Generalmente se utiliza conectado al fondo de una torre fraccionadora ; este proporciona el calor necesario para la destilación. El medio de calentamiento puede ser vapor o un fluido caliente del proceso. • Generador de vapor. Genera vapor para usarse en cualquier parte de la planta, utilizando el alto nivel calorífico del alquitrán, aceite pesado o gas. Existe también otro tipo que también genera vapor, solamente que el medio de calentamiento es un gas caliente producido en una reacción química. • Vaporizador. Es similar a un calentador, únicamente que en este se vaporiza una parte del líquido. • Combinados. Estos equipos son en los que se llevan a cabo varias funciones. Enfría vapores sobrecalentados hasta su punto de saturación, para luego condensarlos y por último enfriarlos. Aunque en algunas ocasiones solo se llevan a cabo dos de estas tres funciones. IQI CoK 19 El problema a resolver será el cálculo del área de transferencia de calor “A” . Para obtenerla es preciso el conocimiento del coeficiente global de transferencia de calor “U”. El método de cálculo a seguir, será la suposición de un valor de este coeficiente “U”, encontrando un área de transferencia de calor determinada y la comprobación posterior del valor supuesto, hasta obtener la convergencia. Si la suposición del coeficiente no está muy ajustada a la realidad, el método señalado puede obligar a repetir el cálculo varias veces hasta conseguir el diseño adecuado. Por lo que una buena estimación de este coeficiente puede representar un ahorro considerable de tiempo. Lo anterior requiere de experiencia, por ello existen diferentes tablas mas o menos confiables, con valores aproximados de estos coeficientes, según la naturaleza de los fluidos IQI CoK 20 SECUENCIA DE CALCULO Y DISEÑO DE UN CAMBIADOR DE CALOR. OBJETIVOS DEL DISEÑO. Antes de empezar a describir la secuencia de actividades necesarias para el diseño de un intercambiador, es recomendable recordar los objetivos que deberán cumplir con el diseño del mismo. 1. el intercambiador deberá tener el mínimo costo posible y cumplir con los requerimientos mencionados. 2.-respetar las especificaciones de ingeniería y códigos estipulados, así como las limitaciones establecidas en las dimensiones máximas del equipo (longitud, diámetro, peso), ya que muchas veces las facilidades con que cuentan las plantas son limitadas, por ejemplo; grúas de baja capacidad, escaso equipo y/o personal de mantenimiento, poco espacio para instalar el equipo o para almacenar partes de repuesto, etc. estos criterios son importantes tenerlos en mente durante el desarrollo del diseño porque ellos controlan las decisiones que se puedan tomar en un momento dado. también hay que tener presente que el intercambiador tendría o deberá tener una vida útil igual o menor a la de la planta, y que esta puede ser de 5 a 20 años. IQI CoK 21 SE REQUIEREN LOS SIGUIENTES DATOS: CONDICIONES DE PROCESO. Fluido Caliente: T1 ; T2 ; W ; Cp ; s ; µ ; K ; Rd ; y ∆P . Fluido Frio : t1 ; t2 ; w ; cp ; s ; µ ; k ; ∆P. Donde: T1 es la temperatura de entrada en °F. T2 es la temperatura de salida en °F W es el gasto del fluido en Lbs/Hr. Cp es el calor específico en BTU/Lb°F. S es la densidad relativa que es adimensional. K es la conductividad térmica eb BTU/Hr ( Ft2 ) ( °F/Ft ). ∆P es la caída de presión disponible en Psig. µ es la viscosidad en Lb/Hr-Ft. NOTA Las propiedades de los fluidos deberán calcularse a la temperatura media de cada corriente. IQI CoK 22 1..-Llenar el formato de este procedimiento con los datos disponibles de los fluidos IQI CoK 23 2.- Determinar de que lado va uno de los líquidos, ya sea dentro de los tubos o por el exterior de ellos. ANALISIS GASTO MASA CORROSIÓN VISCOSIDAD INCRUSTACION TEMPERATURA PRESIÓN DE OPERACIÓN TOXICO Y LETAL P IQI CoK TUBOS MAYOR .MAYOR MENOR .MAYOR MAYOR .MAYOR MAYOR --- CORAZA MENOR MENOR MAYOR MENOR MENOR MENOR .MENOR --- 24 3.- Se debe calcular cual es la carga térmica que se va a intercambiar. Q = Wt * Cpt * ∆Tt = We * Cpe * ∆Te……………….formula 1a. Q = Wv * λv + Wlíq * Cpliq * ( T1 – T2 )………..…formula 1b Donde: W2, W1 es el gasto masa en los tubos y la envolvente en Lb/Hr. Cpt, Cpe es el calor específico del fluido en los tubos y en la envolvente en BTU Lb * F ∆Tt, ∆Te son las temperaturas promedio del fluido en los tubos y en la envolvente, respectivamente en °F. Wv, Wliq es el gasto masa del vapor y del liquido en Lb/h Cpliq es el calor especifico del liquido en BTU Lb * F T1 y T2 son las temperaturas de entrada y salida del fluido. λ Es el calor latente del vapor en IQI CoK 25 4.- Calculo de la diferencia media logarítmica de las temperaturas 5.- Obtener el valor de corrección Ft debido al número de pasos 6.- Calculo de la diferencia media de temperaturas efectiva o corregida 7.-Encontrar el área de transferencia de calor “A” mediante la suposición del coeficiente global de transferencia de calor (incluir tabla de donde se obtuvo) IQI CoK 26 Para el paso 7 debieron tener en cuanta las siguientes consideraciones 1 Las sustancias orgánica ligeras son fluidos con viscosidades menores de 0.5 centipoices e incluyen benceno, tolueno, etanol, metil-etil-cetona, gasolina, kerosen y nafta. 2 Las sustancias orgánicas medias tienen viscosidades de 0.5 a 1.0 centipoices e incluyen kerosén, strawoil, gasoil Caliente, aceite de absorbedor caliente, y algunos crudos. 3 Sustancias orgánicas pesadas tienen viscosidades mayores de 1.0 centipoices e incluyen gasoil frío, aceites lubricantes, petróleo combustible , petróleo crudo reducido, breas y asfaltos. 4 Factor de obstrucción 0.001. 5 Caída de presión de 20 a 30 psig. 6 Estas tasas están influenciadas grandemente por la presión de operación. IQI CoK 27 ……………….. 8 Fijar las características de los tubos de acuerdo A a los criterios expuestos en la teoría, seleccionando la longitud “L” , diámetro nominal “d” , arreglo y espesor de la pared ( BWG ) (tablas) ae * L 9 Obtener el número de tubos “Nt” Nt[=] Donde ae es el área exterior por unidad de longitud del tubo ( analizadas IQI CoK ), este dato se obtiene de tablas ya 28 10.- Cálculo del área de flujo por los tubos “ af “ . af = N t * a´ f 144 * n Donde : a´f es el área de flujo por tubo en pies2. n es el número de pasos por los tubos. El número de pasos por los tubos “n” se fija de acuerdo a la caída de presión permisible y el procedimiento es: Suponer un valor ( 1,2,4,6 u 8 pasos ). Sí la caída de presión es mayor que la permitida, suponer un valor de número de pasos menor. Pero tomando en cuanta que se debe aprovechar lo más que se pueda la caída de presión permisible y de esta manera obtener cambiadores de calor económicos. IQI CoK 29 11 Obtener el diámetro interior de la envolvente “Di” y el diámetro límite de los tubos “ Dotl” tablas 12 Cálculo de la masa velocidad “ Gt”. W Gt = a ´f 13 Cálculo de la velocidad “v”. V= Gt 3,600 * Donde: ρ es la densidad del fluido en El valor de la velocidad estará en función de la caída de presión disponible. Pero en el caso de que se utilice agua por dentro de los tubos ( muy común ), como mínimo se tendrá una velocidad de 3 , para evitar la incrustación y como máximo una de 10 para evitar la erosión . IQI CoK 30
