Departamento de Ingeniería en Maderas Escuela de Ingeniería Química Proyecto de Ingeniería Tema II: Diseño y Control Conferencia 5-2: Diseño de Calentadores y enfriadores Dr. Luis E. Arteaga Pérez Asignatura: Simulación y Optimización de Plantas Químicas 2do Semestre 2018 Proyecto de Ingeniería Diseño de Equipos para Transferencia de calor: Introducción Qué función cumplen los intercambiadores de calor en una planta de procesos? Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Introducción Los intercambiadores de calor facilitan el flujo de energía entre fluidos. Estos equipos se utilizan en la mayoría de las industrias y usualmente tienen un peso determinante sobre la economía de los procesos. 2) Condensadores 1) Calentador/Enfriador Realizan la doble función de calentar y enfriar fluidos. 1) 2) Producen cambio de fase de vapor a líquido (usualmente utilizan agua) 3) Evaporadores Producen cambio de fase de líquido a vapor (usualmente utilizan vapor de agua) Recuperadores/regeneradores: Por lo general se utilizan para aprovechar el calor disponible en un fluido (A caliente) para calentar otro fluido (B). Estos equipos pueden tener diferentes geometrías y usualmente se diseñan para operar con todos los fluidos. Inciden de manera importante en los costos operacionales de las plantas de proceso 4) Enfriador Aire Vaporizan parte del fluido Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Introducción Balance de energía Calor ganado - Calor Cedido + Pérdidas = 0 𝑸𝒈 = 𝜸 ∗ (𝑸𝒄 ) 𝑸 = 𝑼 ∗ 𝑨 ∗ 𝑳𝑴𝑫𝑻 ∗ 𝑭𝒕 ASIGNAR LAS CORRIENTES al tubo y casco (tubo y coraza) Coeficiente de transferencia Global 1.- El fluido a mayor presión va en los tubos. 2.- El fluido más corrosivo va en los tubos. 3.- Los fluidos más sucios van en los tubos 4.- El fluido con menor pérdida de presión va en el casco. 5.- El fluido a condensar en el casco Área de Transferencia Diferencia media Log de Temperaturas Factor de corrección por pasos R>0,75 Dibujar los diagramas térmicos y corrección de MLDT T T1 t2 T2 t1 En un intercambiador con un paso en casco y dos en tubo no es posible que se crucen las temperaturas, es necesario establecer varias celdas donde las temperaturas de salida sean iguales (T2 = t2) R>0,80 Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Introducción • La selección del calentador depende de la carga térmica • Alta T (>250 C): generalmente un IC a llama directa o con circuito de aceite caliente (hot oil <400C) • Media T (120 – 250C): generalmente calentador de vapor • Baja T (<120C): generalmente condensados o vapor • Los intercambiadores a llama directa se necesitan también en calderas y en refinerías para los lazos de crudo • La selección del enfriador depende de la temperatura, el clima y criterios económicos • Altas temperaturas: recupera calor incrementando la temperatura del vapor (sobrecalentadores o economizadores) o el agua de alimentación a calderas • Los medios más comunes son agua y aire • Los circuitos de refrigeración se utilizan a T <40°C IC de llama directa: Refinería Proyecto de Ingeniería Temario 1. Calentadores de llama directa 2. Calentadores eléctricos 3. Generadores de vapor 4. Enfriadores de aire 5. Enfriadores con agua 6. Refrigeración Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Introducción Intercambiadores directos • Calentamiento a altas temperaturas • El vapor de alta presión (HP) generalmente está a ~ 480 F (250C) • Se puede usar aceite caliente para sobrecalentarlo hasta 600F, pero incluso así necesita otra etapa de calentamiento • El calor proviene de la combustión de un combustible • Gas Natural • Fuel oil • Gases de tope (flue) • Se transfiere el calor por radiación y convección • Existen múltiples variantes de diseño, los más comunes son los cilindros verticales Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Cabina de un intercambiador de llama directa Los tubos pueden ser horizontales o U-forma Chimenea Damper Arco Tubos de convección Banco de shock Tubos radiantes Vista quemadores Línea de refracción Vista caja de llama directa Caja de llama directa Quemadores Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Calentador con tubos en U • 4 celdas en una sola cabina • Convección • Compactos para altas transferencia de calor Calentador cilíndrico vertical tasas de • El calentador mas común • Menor costo • Mayor compactación • Fácil de construir • Excelente par abajas tasas de transferencia • El calor máximo a manejar es de 170 MMBtu/h Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Calentador cilíndrico vertical: Partes Bancos de tubos Entrada desde el proceso Sección superior Salida hacia sección de radiación Drenaje de sección superior Línea final de tubos Escape de vapor Sección de convección visores Diámetro de quemador Entrada de convección Quemadores Entrada Salida al proceso Sección de radiación Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Calentador cilíndrico vertical: Perfil de temperaturas y flujo de calor Temperatura de chimenea • 400°F - 204 °C • Temperatura de pared 1450°F - 788 °C Temperatura de llama 3300°F 1816°C • Temperatura de llama • • Salida de radiación o temperatura de pared • • Depende del combustible (composición), exceso de aire (relación de equivalencia) y flujo de aire a precalentar. Depende de la temperatura de los tubos y el flujo de calor. Temperatura en chimenea • • Depende de la recuperación térmica en la sección de convección. En ultima instancia se restringe por la temperatura de condensación de los gases ácidos o la formación de la pluma. Generalmente se asume que el 60% es transmitido por radiación, 25% conexión y 15% se pierde en la chimenea El calor del proceso se restringe pro la transferencia radiante (condiciones de control) Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Eficiencia del horno Se define como: eficiencia Calor útil H oc del combustible Tllama - Tchimenea Tllama - Tambiente Por qué? • La eficiencia aumenta con la temperatura del aire precalentado y se reduce con el exceso de aire • La temperatura de chimenea está limitada por el punto de rocío de los gases (esta aumenta con el contenido de agua en el gas) Típicamente se usa 250F para gas natural, 350F para fuel oil. • La eficiencia típica de hornos es de 85%, pero no todo el calor se utiliza en el proceso Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Química de la combustión • El metano se quema según: CH4 + 2 O2 + 8 N2 → CO2 + 2H2O + 8 N2 ΔH°c, LHV = 21,502 Btu/lb = 191.8 kcal/mol • Por tanto para obtener 1 MMBtu se necesitan 106/21502 = 46.5 lb CH4 • 46.5 lb CH4 = 2.9 lbmol, i.e., 1040 scf • En combustión estequiométrica se requieren 10,400 scf de aire • En la práctica se utiliza entre 5 y 20% de aire en exceso • Previene la formación de CO • Previene la formación de hollín Revisar documento: Combustión, relaciones útiles!!! Contenido de O2 en los gases de escape Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Temperatura de llama para gas natural Temperatura de llama: Escala de colores Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Emisiones en IC de llama directa • Las regulaciones ambientales limitan las emisiones de: 1. NOx, SOx, material particulado, CO, metales, inquemados • Selección del combustible/pretratamiento para controlar S y los metales • El exceso de aire controla CO, HC y material particulado • NOx es difícil de controlar: 1. 2. 3. 4. Los niveles de NOx empeoran con el exceso de aire La recirculación de los gases de escape reducen la temperatura de llama Diseño especial de quemadores Eliminación catalítica de NOx Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores de llama directa Remoción catalítica de NOx • Alto costo • Opera entre 400-700°F • Se utiliza en reconversiones cuando no se pueden ocupar quemadores especiales con niveles de NOx ultra-bajos • Integrado al Sistema de precalentamiento de aire Qué catalizadores se utilizan? Proyecto de Ingeniería Temario 1. Calentadores de llama directa 2. Calentadores eléctricos 3. Generadores de vapor 4. Enfriadores de aire 5. Enfriadores con agua 6. Refrigeración Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores eléctricos Calentadores eléctricos COOLING SPACE UNHEA TED LENGTH ELEMENT BUNDLE BUNDLE A (HOT END) RED OUTLET TERMINAL BOX WELDING TEE INLET BUNDLE B (COLD END) GREEN FULL BAFFLES (HEAT SHIELDS) COOLING BAFFLES WELD SHEATH TO FLANGE HEATER SHELL SHELL FLANG E HEATER FLANG E • El fluido pasa axialmente sobre resistencias aisladas con MgO y protegidas dentro de una vaina • El calor se transfiere de la Resistencia al fluido. Máxima potencia de 1 MW. Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Calentadores eléctricos Calentadores eléctricos Ventajas Desventajas • Alta temperatura (<1200°F) • Mayor costo capital • No existen fugas cruzadas • Mayor costo de operación • Excelente control y dinámica de apagado • Tienen riesgos cuando no se instalan, operan o mantienen apropiadamente • Sin emisiones • Excelentes para operación en ciclos • Reguladas Cual es el costo relativa del calor/electricidad? 1 MMBtu ≈ 1 GJ = 278 kWh, which @ 4-6 ¢/kWh costs $11 to $16, vs. $5-6 for natural gas Proyecto de Ingeniería Temario 1. Calentadores de llama directa 2. Calentadores eléctricos 3. Generadores de vapor 4. Enfriadores de aire 5. Enfriadores con agua 6. Refrigeración Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Generadores de vapor Generadores de vapor • La mayoría de los procesos que requieren calentamiento, utilizan vapor. Este vapor se genera en una caldera o con un IC de llama directa especial • Las calderas se venden como módulos y usualmente se seleccionan según su carga térmica dada en capacidad de generación Mlb/hr o caballos de fuerza • Existen dos tipos genéricos: caldera de tubos de agua y tubos de fuego. Ambas se operan con tiro forzado. • El combustible puede ser, gas natural, carbón, biomasa, LPG, etc • Las normas de diseño comunes son: ASME BPV Code Sxn I (para calderas de alta presión y generación de potencia) o Sxn IV (para vapor de baja presión o agua caliente) Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Generadores de vapor Sistema de generación simplificado Caldera y Sobrecalentador HP línea principal Calentamiento en proceso BFW precalentador MP principal Calentamiento en proceso Venteo LP principal Desgasificación Reposición • Calentamiento en proceso • El vapor se genera a alta presión • EL vapor se expande ha media o baja presión en turbinas (preferiblemente) • Esto permite recuperar la energía en forma de trabajo mecánico o electricidad Retorno de condensados Por lo general todos los procesos utilizan diferentes niveles de vapor (LP, MP y HP). Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Generadores de vapor Principios de la generación de vapor T T Perfil de gases exahusto Sobre-calentador Precalentamiento de agua de alimentacion (BFW) Ebullición CALOR • El precalentamiento del agua de alimentación (BFW), ebullición y sobrecalentamiento se llevan a cabo dentro de la caldera • El precalentamiento, ebullición y sobrecalentamiento se realizan en intercambiadores independientes con diferentes niveles de temperatura y recuperación Calor perdido Calor útil CALOR • Eficiencia de caldera= calor útil/ combustible usado • Típico ~85% (similar a los IC de llama) del LHV del combustible • Alta eficiencia calderas con condensación tienen mayores eficiencias pero no son muy utilizadas en procesos Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Generadores de vapor Tubos de agua con recirculación (PCWT) vapor Cámara de radiación Quemadores Domo de agua Gases de combustion (exhausto) Domo de vapor Entrada de agua • El agua ebulle dentro de los tubos, en la sección de convección • Los serpentines de sobrecalentamiento están en la cámara de radiación Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Generadores de vapor Tubos de fuego empacados (PFT) Vapor Nivel de agua Gases de combustión Quemador Tubo del horno Extracción Entrada para limpieza Entrada de agua • El tubo del horno está inmerso dentro del agua en ebullición • Los gases de combustión salen a través de tubos sumergidos • La extracción elimina la deposición y acumulación de sólidos en la caldera Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Generadores de vapor Tubos de agua vs. Tubos de fuego PCWT • Mayores presiones • Hasta 124 bar para proceso • Hasta 240 bar para generación eléctrica • Las unidades empacadas o compactas son de < 50,000 lb/hr, pero para la generación de potencia podrían llegar hasta 4000 metric tons/hr • Más rápida arrancada y respuesta a cambios de carga • Propensas al daño por escorias en agua • Los tubos pueden sufrir sobrecalentamiento si no se distribuye bien el agua PFT • Usualmente para presiones inferiors a30 bar (450 psig) • Las unidades compactas < 100,000 lb/hr, pero pueden construirse de 300 lb/h • Funcionan ,major con agua poco tratada • No requieren de plataformas • Usualmente necesitan menos espacio Proyecto de Ingeniería Temario 1. Calentadores de llama directa 2. Calentadores eléctricos 3. Generadores de vapor 4. Enfriadores de aire 5. Enfriadores con agua 6. Refrigeración Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Enfriadores de aire Selección de enfriadores Enfriadores con de aire agua • No Requieren necesitan unatuberías infraestructura para utilidades adicional (bombas, torres de enfriamiento, tratamiento de agua, etc) • El aire es gratis, el único costo es el de la potencia • El consumida agua no siempre en los ventiladores es barata!!! • Coeficientes Mejor transferencia de transferencia de calor, más de compactos calor bajos, por tanto son de gran tamaño y requieren mucho • Caros de escalar espacio •• Ensuciamiento Fáciles de escalar por incrustaciones a altas temperaturas • Pueden provocar sobre-enfriamientos Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Enfriadores de aire Esquema enfriador de aire Forzado Tiro Inducido debajoeldel banco tubos y el • El ventilador está sobre banco de de tubo y extrae aire es impulsado a través de estos el aire Menordistribución potencia (aire • Mejor delfresco) aire y menos recirculación de accede al ventilador para durante mantenimiento • Fácil El banco de tubos puede dañarse el mantenimiento • Permite recirculación del aire para eliminar sobreenfriamientos • Mejor tiro natural ‘efecto chimenea’ • Menor capacidad que los de tiro natural Fuente: Perry’s Chemical Engineers Handbook. Fig 11.43 bundle bundle Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Enfriadores de aire Transferencia de calor en enfriadores de aire • La transferencia por el lado del aire es más baja por tanto dominan el coeficiente global de transferencia de calor por los tubos (U). 1 ro U 1 1 1 1 ro h air ro f air ri f process ri h process • Se añaden aletas a los tubos para incrementar el h.t.c externo. El área de aletas ~ 20 x área de tubos rectos variation of U with T ubeside Coefficient • U basado en el área de aletas está entre 2.5 y 4.5 Btu/(hr.ft2.F) U overall [Btu/(hr.ft2.°F)] 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 100 150 200 250 300 T ubeside h [Btu/(hr.ft2.°F] 350 400 Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Enfriadores de aire Diseño de enfriadores de aire • La temperatura ambiental del aire se basa en la temperatura de bulbo seco y no debe exceder más del 5% de la temperatura durante verano • La mayor temperatura debería llevar a un diseño no factible • Es útil añadir algunos grados para facilitar recirculación • Mínimo acercamiento de 15°F en el lado frío • F es típicamente 0.9 • La velocidad superficial es de 500 ft/min (2.5m/s) basado en el área del banco. El área del banco de tubos es de ≈ 2 x área de flujo de todos los tubos • La caída de presión por el lado del aire es de (0.6” water) • La potencia del ventilador se determina según el flujo de aire y Δp: ACFM Δp Potencia hp 6837 η Donde: ACFM = Flujo de aire en ft/min Δp = Caída de presión por el lado del aire en plg de H2O η = Eficiencia del ventilador (típicamente 70%) Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Enfriadores de aire Diseño de enfriadores de aire • Diseñe un enfriador de aire para enfriar 200,000 lb/h de kerosene desde 200 a 120F • Q= m.Cp.ΔT = 2 x 105 x 0.5 x 80 = 8 MMBtu/h • Estimar hi = 120 Btu/(h.ft2.F), por tanto U = 3 Btu/(h.ft2.F) • Tambient para diseño = 90F, un extra de 5°F para recirculación y 15°F de acercamiento. • Estimar Lmtd = (105-25)/ln(105/25) = 55.7°F • Área de aletas Af = Q/U*F*Lmtd = 8 x 106 /(3 x 0.9 x 56) = 52,900 ft2 • Área de tubos rectos A = Af/20 = 2650 ft2 • Asumiendo 20’ longitud y ¾” diámetro, 2650/3.9 = 678 tubos • 10 bancos de tubos, 2” diametro de aleta da 68 tubos/banco • Área de tubos= 68 x 20’ x (2/12) x 2 = 453 ft2 • Velocidad 500 ft/min = 227 x 103 acfm • Asumir 0.6” de agua como caída de presión, la potencia del ventilador es entonces = 227 x 103 x 0.6 / (6837 x 0. 7) = 28.4 hp • Asumiendo 90% eficiencia en el motor eléctrico, la potencia consumida es de = 28.4 x 745.7 /0.9 = 23.5kW • Posteriormente se deben utilizar las correlaciones para chequear el equipo, (confirmar ΔT por el lado del aire y chequear dp) Proyecto de Ingeniería Diseño de calentadores y enfriadores: Enfriadores de aire Diseño de enfriadores de aire: Control de temperaturas • La temperatura se controla variando el flujo de aire • Persianas • Manual o automático • Problemas: puede afectarse por deposición de hielo o nieve • Motores con velocidad variable (variadores de frecuencia) • Versión Simple : Motor de dos velocidades • El motor de velocidad variable es de mayor costo pero tiene mejor eficiencia energética y control de temperaturas • Ventiladores de paso variable (distancia entre aletas) • EL paso de los ventiladores se puede ajustar automáticamente para variar el flujo de aire • Con bajo paso se ahorra energía, requieren mayor mantenimiento • Generalmente se usa un bypass caliente si se requiere un control exacto de la temperatura TIC Proyecto de Ingeniería Temario 1. Calentadores de llama directa 2. Calentadores eléctricos 3. Generadores de vapor 4. Enfriadores de aire 5. Enfriadores con agua 6. Refrigeración Enfriadores • Diseño: • Ver sección de utilidades • Enfriador: • IC convencionales
