Mdp 05 e-01 principios básicos

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Mdp 05 e-01 principios básicos

  1. 1. PDVSA N° TITULO REV. FECHA DESCRIPCION PAG. REV. APROB. APROB. APROB. FECHAAPROB.FECHA TRANSFERENCIA DE CALOR E1994 MDP–05–E–01 PRINCIPIOS BASICOS AGO.95 AGO.95 INTERCAMBIADORES DE CALOR JUL.950 116 MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO ESPECIALISTAS PDVSA
  2. 2. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 1 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Indice 1 OBJETIVO 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 ALCANCE 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 REFERENCIAS 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 CONSIDERACIONES BASICAS 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Definiciones y descripciones 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Funciones de los intercambiadores de calor 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Mecanismos de transferencia de calor 8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Proceso de transferencia de calor 9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Clasificación y aplicaciones de intercambiadores de calor 13. . . . . . . . . . . . 4.6 Consideraciones generales de diseño 24. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Consideraciones de diseño para intercambiadores de tubo y carcaza 39. . 4.8 Problemas operacionales típicos 60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.9 Optimización de los sistemas de integración de calor 64. . . . . . . . . . . . . . . . 5 GUIA GENERAL PARA DISEÑO 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Proceso de diseño de intercambiadores de calor 67. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Criterios de selección para intercambiadores de calor 69. . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Guía general para el diseño de intercambiadores de calor 71. . . . . . . . . . . . 5.4 Programas de computación 73. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 NOMENCLATURA 78. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 APENDICE 80. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 1 Sumario de los diferentes tipos de intercambiadores de calor 81. . . Tabla 2a Información requerida para el diseño de intercambiadores de calor (unidades métricas) 82. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 2b Información requerida para el diseño de intercambiadores de calor (unidades inglesas) 84. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 3 Coeficientes globales de transferencia de calor típicos (U0) 86. . . . . Tabla 4 Temperatura de diseño del agua de enfriamiento entrando 93. . . . . . Tabla 5 Factores de ensuciamiento típicos ri y ro 95. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 6 Caída de presión típicas 100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 7 Datos de tubos para intercambiadores 101. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 8 Conductividades térmicas 102. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 9 Selección de tipos de cabezales (TEMA) 103. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tabla 10 Número de pasos máximo por los tubos 104. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 1 Hoja de especificación para intercambiadores de calor (unidades SI) 105. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 2 Elementos de los intercambiadores de tubo y carcaza 106. . . . . . . . . . Figura 3 Nomenclatura TEMA para intercambiadores de calor 107. . . . . . . . . .
  3. 3. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 2 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Figura 4 Arreglos comunes de tubos 108. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 5 Tipos de deflectores para la carcaza 109. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 6a Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza – carcaza de un paso (TEMA, Tipo AES) 110. . . . . . . . . . . . . Figura 6b Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza – carcaza de flujo dividido (TEMA, Tipo AJS) 111. . . . . . . . . Figura 6c Tipos de carcazas comunes para intercambiadores de tubo y carcaza – carcaza de dos pasos (TEMA, Tipo AFS) 112. . . . . . . . . . . . Figura 7 Localización de la banda de sello 113. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 8 Mecanismos de condensación 114. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Figura 9 Tipos de intercambiadores de placa 115. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
  4. 4. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 3 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 1 OBJETIVO El objetivo de este documento es proveer al ingeniero de proceso y diseño con un conocimiento técnico/práctico que le permita comprender y familiarizarse con los parámetros que gobiernan el diseño de los equipos para transferencia de calor. El tema “Intercambiadores de Calor”, dentro del área de “Transferencia de Calor”, en el Manual de Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos: PDVSA–MDP– Descripción del Documento 05–E–01 Intercambiadores de Calor: Principios Básicos. (Este documento) 05–E–02 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para para equipos de tubo y carcaza. 05–E–03 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para Enfriadores de Aire. 05–E–04 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para Intercambiadores de Doble Tubo. 05–E–05 Intercambiadores de Calor: Procedimiento de Diseño para Servicios Criogénicos. Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Intercambiadores de Calor”, dentro del Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la Prácticas de Diseño “Intercambiadores de Calor”, presentadas en la versión de Junio de 1986 del MDP (Sección 9). 2 ALCANCE Este documento presenta definición de conceptos y descripción de las metodologías involucradas en el diseño y evaluación de los equipos para intercambio de calor. En las subsecciones 4.1, 4.2, 4.3 y 4.4 se conceptualiza brevemente el proceso de transferencia de calor. La subsección 4.5 describe los diferentes tipos de intercambiadores de calor comunmente usados en la IPPCN y sus aplicaciones. En general, estos equipos se diseñan y fabrican para un servicio específico, por lo que el diseñador y/o fabricante requieren de información sobre la operación y el servicio para el cual será adquirido dicho equipo. Esta información les es suministrada por el ingeniero de proyecto o de proceso mediante una hoja de datos con todos los requisitos que el intercambiador debe cumplir, evitándose así la adquisición de un equipo inadecuado para el servicio requerido. En la Figura 1. se muestra un ejemplo de la hoja de especificación para los intercambiadores de tubo y carcaza. La subsección 4.6 presenta las consideraciones básicas de diseño para todos los tipos de intercambiadores de calor y la subsección 4.7 contiene las
  5. 5. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 4 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma consideraciones generales para el diseño de intercambiadores de calor del tipo tubo y carcaza. Las subsecciones 4.8 y 4.9 intentan concientizar, al ingeniero responsable del diseño y/o evaluación de un intercambiador, sobre la problemática operacional y de integración energética relacionada con dichos equipos, y la importancia de considerar estos factores durante su fase de diseño y/o evaluación dado su gran impacto sobre los costos de mantenimiento, de producción y energéticos. Finalmente, en la sección 5 se describe el proceso de diseño y selección de intercambiadores de calor. Aunque en los documentos PDVSA–MDP–05–E–02 al 05 se cubre en detalle los procedimientos de cálculo. Ciertos aspectos tales como longitud del tubo, especificaciones del tipo de material, limitaciones en las dimensiones de la carcaza, etc., son normalmente especificados por el cliente; como parte de las Bases de Diseño para la instalación de una nueva refinería o, en el caso de refinerías y plantas químicas existentes, en la carta de requisición del trabajo o, en último caso, esta información puede ser generada durante las etapas iniciales del trabajo. 3 REFERENCIAS Manual de Diseño de Proceso (versión 1986) S Vols V y VI, Sección 9 “Intercambiadores de calor” S Vol I, Sección 1 “Consideraciones económicas de diseño” S Vol I, Sección 2 “Temperatura de diseño, presión de diseño y clasificación de bridas” S Vols VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación y control” S Vol VIII, Sección 14 “Flujo de fluidos” Manual de Diseño de Proceso S PDVSA–MDP–08–SG–01 “Seguridad en el Diseño de Plantas: Introducción” Manual de Ingeniería de Diseño S PDVSA–MID–EA–201–PR “Equipo de carcaza y tubos para intercambio de calor” S PDVSA–MID–EA–202–PR “Equipo para intercambio de calor de doble tubo” S PDVSA–MID–EC–201–PR “Equipo para intercambio de calor : enfriador de aire” S PDVSA–MID–EF–202–R “Torre de enfriamiento de tipo inducido” S PDVSA–MID–EG–201–R “Calentadores desaereadores”
  6. 6. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 5 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma S PDVSA–MID–K–366 “Safety relief protection systems” S PDVSA–MID–L–TP–2.1 “Intercambiadores de calor requisición, análisis de ofertas y detalles de compra” S PDVSA–MID–90616.1.022 “Sistemas de alivio” S PDVSA–MID–90617.1.041 “Guías de ingeniería para intercambiadores de calor de carcaza y tubo” S PDVSA–MID–90617.1.042 “Guías de ingeniería para intercambiadores de calor enfriados por aire” Otras Referencias S Standards of Tubular Exchanger Manufacture’s Association (TEMA) S API Standard 661 “Air–cooled Heat Exchangers for General Refinery Services” S API Standard 660 “Heat Exchanger for General Refinery Services” S API Bulletin 2516 “Evaporation loss from low–pressure tanks (R 1993)” S API Bulletin 2517 “Evaporative loss from floating roof tanks third edition; Addendum – 1994” S API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 – Evaporative loss measurement Section 1 – “Evaporative loss from fixed–roof tanks (Supercedes Bulletin 2518) S API Bulletin 2519 “Evaporation loss from internal floating roof tanks (R 1990)” S Afgan, N. H. & Schlûnder, E. U.; Heat Exchanger Theory; First Edition McGraw Hill (1974). S Chemical Engineering Magazine; Process Heat Exchange; McGraw Hill (1979) S Hewitt, G. F.; Shires, G. L. and Bott T. R.; Process Heat Transfer; First Edition; CRC Press, Inc. (1993)10. S Kays, W.M. and London, A.L.; Compact Heat Exchanger; Second Edition; McGraw Hill (1964) S Kakac, S. et All; Heat Transfer Design Method; First Edition; McGraw Hill (1974) S McKetta, J. J.; Heat Exchanger; First Edition; Marcel Dekker, Inc. (1991) S Schlûnder, E. U.; Heat Exchanger Design Handbook; Vols. 2 & 3; First Edition, CRC Press, Inc. (1983) S Smith, G. & Patel A.; Step by Step through the Pinch; The Chemical Engineer Journal; Novembre 1987. 4 CONSIDERACIONES BASICAS 4.1 Definiciones y descripciones La terminología usada en esta serie de documentos del área de Transferencia de Calor, título Intercambiadores, es la que generalmente se usa en la IPPCN. A continuación se definen y describen los términos mas comunes:
  7. 7. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 6 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Refrigerador Es una unidad que utiliza un refrigerante para enfriar un fluido, hasta una temperatura menor que la obtenida si se utilizara aire o agua como medio de enfriamiento. Condensador Es una unidad en la cual los vapores de proceso se convierten total o parcialmente en líquidos. Generalmente, se utiliza agua o aire como medio de enfriamiento. El término “condensador de superficie” se refiere específicamente a aquellas unidades de carcaza y tubos que se utilizan para la condensación del vapor de desecho, proveniente de las máquinas y de las turbinas a vapor. Un “condensador de contacto directo” es una unidad en la cual el vapor es condensado mediante contacto directo con el medio enfriante, eliminando la superficie de transferencia de calor que separa el medio enfriante y el vapor. Enfriador Es una unidad en la cual una corriente de proceso intercambia calor con agua o aire sin que ocurra cambio de fase. Evaporador Los evaporadores son intercambiadores de calor usados específicamente para concentrar soluciones mediante la evaporación parcial del solvente, algunas veces hasta el punto que ocurra el fenómeno de la cristalización. Son diseñados para optimizar la producción del producto liquido o solido. Intercambiador Es el nombre genérico de un dispositivo mecánico, o equipo, diseñado para transferir calor entre dos o mas corrientes de fluidos que fluyen a través del equipo. Calentador Un calentador es un intercambiador de calor que aumenta la temperatura de una corriente, sin que normalmente ocurra un cambio de fase. Como fuente de calor puede utilizarse una corriente de servicio; tal como vapor de agua, aceite caliente, fluidos térmicos o líquidos químicos (como el “Humbletherm”); o una corriente de proceso de entalpía alta; por ejemplo: la descarga de un reactor operado a alta temperatura. Existe una gran variedad de fluidos térmicos que han sido ampliamente usados y están comercialmente disponibles; por ejemplo “Dowtherm A” (mezcla de 26.5% de Difenil (C6H5)2, y 73.5% de Oxido de Difenil (C6H5)2,O, con un punto de ebullición de 257.1°C.), y “Dowtherm J” ( (C10H14), con un punto de ebullición de 181°C.).
  8. 8. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 7 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Rehervidor Es un vaporizador frecuentemente usado para generar un flujo de vapor que suministra el calor latente de vaporización al fondo de una columna o torre fraccionadora. Existen dos tipos generales de rehervidores, aquéllos que descargan una mezcla bifásica a la torre y los que retornan vapor solamente. Los primeros pueden operar mediante circulación natural (comúnmente llamados termosifones), o circulación forzada (Ver documento PDVSA–MDP–05–E–02 para mayor información). Los termosifones son los tipos de rehervidores más comunes. Los termosifones horizontales donde la vaporización ocurre en el lado de la carcaza son los más usados en la industria petrolera. Normalmente, en los termosifones verticales, la vaporización ocurre en el lado de los tubos y se utilizan preferiblemente en las industrias químicas. En un termosifón, se debe proveer suficiente cabezal de líquido a fin de mantener la circulación natural del líquido a vaporizar. Los rehervidores de circulación forzada requieren de una bomba para impulsar el líquido a vaporizar a través del intercambiador. Este tipo de rehervidor no se utiliza con mucha frecuencia, debido a los costos adicionales del bombeo de la alimentación al rehervidor; sin embargo, en algunos casos se requiere circulación forzada para vencer limitaciones del cabezal hidrostático y problemas de circulación. Los rehervidores que retornan solamente vapor a la torre se denominan rehervidores de marmita (Kettle Reboilers), los cuales se caracterizan por carcazas largas, donde ocurre la separación liquido–vapor. El liquido es descargado como el producto de fondo de la columna y el vapor es retornado a la columna. Quizás la mejor manera de describir la operación de estos rehervidores es comparándolas con una paila u olla hirviendo (para mayores detalles ver documento PDVSA–MDP–05–E–02). Generadores de Vapor (Calderas de Recuperación de Calor) Los generadores de vapor son un tipo especial de vaporizadores utilizados para producir vapor de agua. Como fuente de calor se utiliza generalmente el calor en exceso que no se requiere para el proceso; de allí que estos rehervidores se les llame comúnmente “Calderas de Recuperación de Calor”. Al igual que los rehervidores, los generadores de vapor pueden ser del tipo “Kettle”, de circulación forzada o termosifones. Sobrecalentador Un sobrecalentador calienta el vapor por encima de su temperatura de saturación.
  9. 9. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 8 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Vaporizador Un vaporizador es un intercambiador que convierte líquido a vapor. El término vaporizador se refiere normalmente a aquellas unidades que manejan líquidos diferentes al agua. 4.2 Funciones de los intercambiadores de calor La función básica de los intercambiadores es la transferencia de energía térmica entre dos o mas fluidos a diferente temperatura. El calor fluye, como resultado del gradiente de temperatura, desde el fluido caliente hacia el frío a través de una pared de separación, la cual se le denomina superficie o área de transferencia de calor. Es decir, no existe fuente de energía térmica en un intercambiador de calor. Por otro lado, si los fluidos son inmiscibles, el área física de transferencia de calor puede ser eliminada, y la interfase formada entre los fluidos puede servir como área de transferencia de calor. En resumen, las funciones típicas de un intercambiador de calor en los procesos industriales son las siguientes: 1. Recuperación de calor: la corriente fría recupera parte del calor contenido en la corriente caliente. Es decir, calentamiento y enfriamiento de las corrientes involucradas, las cuales fluyen simultáneamente a ambos lados del área de transferencia de calor. 2. Evaporación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase líquida a vapor. 3. Condensación: una de las corrientes involucradas en el intercambio de calor cambia de fase vapor a fase líquida. 4.3 Mecanismos de transferencia de calor La transferencia de calor, como se definió previamente, es una interacción entre fluidos o materiales a consecuencia de un gradiente de temperaturas entre ellos. Esta interacción ocurre mediante tres mecanismos diferentes, a saber: conducción, radiación y convección. Estrictamente hablando, solamente los primeros mecanismos pueden clasificar como operaciones de transferencia de calor, porque dependen solamente de la existencia de un gradiente de temperatura. A diferencia de ellos, el mecanismo de convección esta fuertemente influenciado por el patrón de flujo (dinámica de fluido); pero tiene asociado un intercambio de energía desde las zonas de alta hacia baja temperatura. Conducción es fundamentalmente transferencia de energía por contacto físico en ausencia de movimiento del material a nivel macroscópico. Este mecanismo puede ocurrir en solidos, líquidos o gases. Radiación es la transferencia de calor de un cuerpo a otro mediante el movimiento de ondas electromagnéticas a través del espacio, inclusive cuando exista vacío
  10. 10. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 9 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma entre ellos. La radiación puede ocurrir a través de gases, líquidos o sólidos; pero debido a la mayor capacidad de absorción de energía de los medios densos, la radiación del calor es mas eficiente a través de los gases. Convección es transferencia de calor de un punto a otro en un fluido, gas o líquido, debido a la mezcla y movimiento de las diferentes partes del fluido. Existen dos mecanismos de transferencia de calor por convección, denominados convección forzada y convección natural. En la convección forzada, el movimiento del fluido es debido a fuerzas externas, tal como bombeo; mientras que en la convección natural el movimiento es inducido por la diferencia de densidades resultante de la diferencia de temperatura en el fluido. Cuando en la convección forzada la velocidad es relativamente baja, estos factores de diferencia de densidad y de temperatura pueden tener un efecto considerable. Los métodos de cálculo para cada uno de estos mecanismos son diferentes. El flujo de calor por conducción es proporcional al gradiente de temperatura (ley de Fourier: Q=–kA(dT/dX) ); por radiación es función del incremento de la temperatura absoluta a la cuarta potencia (ecuación de Stefan Boltzmann: Q=1.714 x 10–7εA (T1 4 – T2 4)) y por convección es proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie de transferencia y la masa de fluido en contacto con ella (ley de Newton Q=hA (T1 – T2)). La diferencia entre estas ecuaciones reside, básicamente, en el coeficiente de transferencia. Así, el coeficiente por conducción, denominado conductividad térmica, es una propiedad del medio de transferencia y puede ser medido directamente y el coeficiente por radiación depende de una propiedad de la superficie radiante, llamada emisividad, la cual es medida directamente. Pero el coeficiente por convección es un parámetro empírico, obtenido experimentalmente, pero no medido directamente, por lo que el cálculo de la transferencia de calor por convección es mas empírico que para los otros dos mecanismos, existiendo una gran dependencia de datos experimentales y sus correlaciones. Adicionalmente, este coeficiente incorpora elementos de dinámica de fluidos. Generalmente, en cualquier proceso de transferencia de calor se encuentran presente, simultáneamente, varios de estos mecanismos; por ejemplo la transferencia de calor por convección incorpora calor por conducción en el fluido; de hecho, si el fluido fuese no–conductor no se daría la convección, pues el movimiento sirve para poner en contacto las partes fría y calientes. 4.4 Proceso de transferencia de calor En la subsección previa se ha planteado los diferentes mecanismos de transferencia de calor, y en esta subsección se plantean como a través de estos mecanismos ocurre la transferencia de calor. El objetivo es introducir un conocimiento general sobre los procesos de transferencia de calor. Existen dos
  11. 11. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 10 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma tipos generales de procesos; a saber: (1) Sin cambio de fase, conocida también como calor sensible y (2) con cambio de fase. El proceso sin cambio de fase o calor sensible, como su nombre sugiere, involucra operaciones de calentamiento y enfriamiento de fluidos donde la transferencia de calor resulta solamente en cambios de temperatura; mientras que en el cambio de fase, la operación se traduce en una conversión de líquido a vapor o de vapor a líquido; es decir, vaporización o condensación. Muchas aplicaciones involucran ambos tipos de procesos. A continuación se presentan descripciones generales sobre estos tipos de procesos de transferencia de calor; pero no siendo el objetivo de este MDP presentar un tratado teórico sobre el tema, le remitimos para mayores detalles a las referencias mencionadas en la sección 3. En los documentos PDVSA–MDP–05–E–02/ 03/ 04/ 05, referidos a procedimientos de diseño, se presentan las correlaciones usadas en la IPPCN en el diseño de intercambiadores. 4.4.1 Calor sensible La mayoría de las aplicaciones de los procesos de transferencia de calor sin cambio de fase involucran el mecanismo de transferencia de convección forzada, tanto dentro de los tubos como sobre superficies externas. Como se menciono previamente (subsección 4.3), el coeficiente de transferencia de calor por convección depende de parámetros de dinámica de fluido, por ejemplo la velocidad. En base al movimiento de fluido, el flujo dentro de los tubos se divide en tres regímenes de flujo, los cuales son medidos mediante un parámetro adimensional, llamado número de Reynolds, el cual es una indicación de la turbulencia del flujo (para mayores detalles ver documento PDVSA–MDP– (Pendiente) (Consulta MDP versión 1986, Sección 14). Los regímenes de flujo son : 1. Flujo laminar: número de Reynolds menor que 2.100. 2. Flujo de transición: número de Reynolds entre 2.100 y 10.000. 3. Flujo turbulento: número de Reynolds mayor que 10.000. Para cada uno de estos regímenes de flujo han sido desarrollados ecuaciones semi–empíricas las cuales son usadas para describir y predecir adecuadamente la transferencia de calor en la región en consideración. Aunque los coeficientes de transferencia de calor para flujo Laminar son considerablemente mas pequeños que para flujo Turbulento, en algunas casos se prefiere el flujo Laminar para reducir costos de bombeo. El mecanismo de transferencia de calor en este régimen de flujo es básicamente por conducción. En la región de Transición, el flujo puede ser inestable y fluctuaciones en la caída de presión y en la transferencia de calor han sido observadas. Existe una gran
  12. 12. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 11 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma incertidumbre en cuanto al comportamiento de los parámetros de transferencia de calor y de fricción del flujo; en consecuencia es aconsejable evitar el diseño de los equipos de intercambio de calor para operar dentro de esta región. En cuanto al fenómeno de transferencia de calor por convección forzada sobre superficies externas, es importante mencionar que el proceso de transferencia de calor esta íntimamente relacionado con la naturaleza del flujo; por ejemplo, la transferencia de calor sobre un haz de tubos depende del patrón de flujo y del grado de turbulencia; es decir, es función de la velocidad del fluido y del tamaño y arreglo de los tubos. Debido a la complejidad del flujo en estos casos de transferencia calor sobre superficies externas dificulta su tratamiento analítico, las ecuaciones disponibles para el cálculo del coeficiente de transferencia de calor se han desarrollado completamente en base a datos experimentales. En los documentos PDVSA–MDP–05–E–02/ 03/ 04/ 05, referidos a procedimientos de diseño, se presentan las correlaciones usadas en la IPPCN en el diseño de intercambiadores sin cambio de fase. 4.4.2 Condensación Condensación, una de las operaciones de transferencia de calor mas importantes, es un proceso convectivo, mediante el cual el vapor es convertido en liquido cuando el vapor saturado entra en contacto con una superficie a temperatura mas baja. Este proceso ocurre en una gran variedad de aplicaciones y equipos (por ejemplo: sobre/dentro de tubos verticales/horizontales). El condensado se forma sobre la superficie fría y, bajo el efecto de la fuerza de gravedad fluye hacia abajo, sobre dicha superficie, en diferentes maneras, las cuales se describen a continuación: Si el líquido condensado humedece la superficie formando una película continua de líquido, sobre la superficie, el proceso se denomina Condensación tipo película, la cual se muestra en la Figura 8.b. La película actúa como un material aislante de la superficie y representa una resistencia o barrera a la transferencia de calor. Este tipo de condensación es la que usualmente se asume en el diseño de condensadores y es la base teórica del procedimiento de diseño para condensadores presentado en el documento PDVSA–MDP–05–E–02. Si por el contrario el líquido condensado no humedece la superficie, se forman gotas de liquido las cuales crecen lo suficiente para moverse al azar sobre la superficie por efecto de la gravedad. Este proceso se denomina Condensación por gotas y se muestra en la Figura 8.a. En este proceso, porciones de superficie están directamente expuestas al vapor, no existiendo resistencia al flujo de calor, por lo que se experimenta ratas de transferencia de calor mas elevadas que en la condensación tipo película. Por esta razón, la condensación por gotas prodría ser preferida a la tipo película; pero es una opción impráctica dada la
  13. 13. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 12 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma dificultad de mantenerla en el tiempo. La mayoría de las superficies tienden a la formación de película después de ser expuestas al vapor condensado durante un largo período de tiempo. Se ha intentado fomentar la condensación por gotas mediante el uso de aditivos al vapor y tratamiento de la superficie (por ejemplo, revestimiento), sin éxito, debido al incremento de costos operacionales, a su inefectividad en el tiempo y al ensuciamiento de la superficie, entre otros. Si las gotas de condensado se forman en la masa de la corriente de vapor, en lugar de sobre la superficie, el proceso se denomina Condensación homogénea, la cual se muestra en la Figura 8.d. Esta situación puede ocurrir en condensadores parciales o en corrientes de vapor con gases incondensables, cuando el vapor o la mezcla gas–vapor es enfriado por debajo del punto de rocío. Este tipo de condensación puede resultar en la formación de una niebla de gotas de liquido en el vapor, las cuales por ser muy pequeñas son difíciles de separar por métodos convencionales y pueden ser arrastradas en el venteo de condensador, presentando posibles problemas de contaminación ambiental. Cuando el vapor condensa produciendo dos fases liquidas ( por ejemplo, una mezcla de vapores de agua e hidrocarburos), el proceso se conoce como Condensación de líquidos inmiscibles. En estos casos, el patrón de condensación es variable. Un enfoque conservador supone la presencia de dos películas de condensado y el calor se transfiere a través de ambas películas en serie. Otro enfoque supone condensación tipo película para una de las fase, mientras que la otra forma gotas sobre la superficie de la película, como se ilustra en la Figura 8.c. 4.4.3 Vaporización La vaporización puede ser definida como la adición de calor a una masa líquida, en tal magnitud, que ocurre la generación de vapor. Es un proceso convectivo que involucra cambio de fase de líquido a vapor. Esta subsección intenta describir a continuación, solo a título informativo, los modos de transferencia de calor en el proceso de vaporización, y en el documento PDVSA–MDP–05–E–02 se presentan las correlaciones prácticas usadas en el diseño de intercambiadores, con vaporización. La vaporización ocurre cuando una superficie es expuesta a un liquido y mantenida a la temperatura de saturación de ese líquido, dependiendo el flujo de calor de la diferencia de temperatura entre la superficie y la condición de saturación. Si la superficie esta sumergida en una piscina estática de líquido, al proceso se le denomina Piscina de vaporización (“Pool Boiling”). Inicialmente no se forman burbujas o gotas de vapor y la transferencia de calor se da por convección natural. En el área cerca de superficie caliente, el líquido absorbe un pequeño sobrecalentamiento y es subsecuentemente evaporado en la medida que se mueve hacia la superficie del líquido. Seguidamente, comienzan a
  14. 14. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 13 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma formarse burbujas en la superficie de transferencia, las cuales inicialmente desaparecen por condensación en la masa de líquido, al desprenderse de la superficie. A medida que la diferencia de temperatura se incrementa, crece el número de burbujas y solo alguna de ellas desaparecen en la superficie del líquido. Este régimen se le denomina Vaporización por nucleación. Eventualmente las burbujas se forman tan rápidamente y alcanzan a ser tan numerosas que se aglutinan, formando una película continua de vapor sobre la superficie caliente, y finalmente el vapor es descargado desde la película, en forma de burbujas regularmente espaciadas. Este régimen se denomina Vaporización por película, donde la transferencia de calor es por conducción y convección a través de la película y, a medida que la temperatura de la superficie se incrementa, por significativa radiación; siendo la transferencia de calor menos eficiente. Si la temperatura del líquido es menor que su temperatura de saturación, el proceso se llama Vaporización subenfriada o local. Si el liquido es mantenido a su temperatura de saturación, al proceso se le conoce como vaporización saturada. En este último caso, las burbujas formadas se desprenden hacia el centro de la masa liquida. Estos dos últimos modos de vaporización se encuentran presente cuando la vaporización ocurre en tubos verticales y se le conoce como Vaporización convectiva forzada. 4.5 Clasificación y aplicaciones de intercambiadores de calor Los intercambiadores son diseñados para satisfacer requerimientos específicos, existiendo en el mercado una gran diversidad de tipos que difieren en tamaño y forma. Estos tipos son clasificados de acuerdo a diferentes criterios, tales como procesos y mecanismos de transferencia de calor, grado de compacticidad de la superficie, patrón de flujo, número de fluidos, geometría y tipo de construcción. Este último criterio engloba un amplio rango de intercambiadores usados en la industria petrolera, los cuales se describen a continuación. Por supuesto, existen otros tipos de intercambiadores de calor a los cuales no se hace referencia, pero éstos no se utilizan con frecuencia en la industria petrolera. 4.5.1 Intercambiadores del tipo tubo y carcaza Este es el tipo de intercambiador que se utiliza comúnmente en las refinerías. No es caro, es fácil de limpiar y relativamente fácil de construir en diferentes tamaños y puede ser diseñado para presiones desde moderadas a altas, sin que varíe sustancialmente el costo. Mecánicamente resistente para soportar las tensiones a la cual es sometido durante la etapa de fabricación, el envío, montaje e instalación en sitio; y los esfuerzos externos e internos en las condiciones normales de operación, debido a los cambios en temperatura y presión. Fácil de mantener y reparar (aquellas partes sujetas a fallas frecuentes, tubos y empacaduras, son fáciles de reemplazar). Adicionalmente, la disponibilidad de
  15. 15. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 14 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma buenos procedimientos de diseño, de experticia y de facilidades de fabricación, aseguran el diseño y construcción exitoso de este tipo de intercambiadores, convirtiéndoles en la primera opción a seleccionarse para un proceso de transferencia de calor. El intercambiador de tubo y carcaza consiste de un haz de tubos paralelos encerrados en un estuche cilíndrico llamado carcaza. En la Figura 2. se muestran las diferentes partes de este tipo de intercambiadores. Hay tres tipos básicos de intercambiadores de tubo y carcaza, dependiendo del método utilizado para mantener los tubos dentro de la carcaza. El primero es el de tipo fijo o intercambiadores de placa de tubos fija o de cabezal fijo. En este caso, el equipo tiene tubos rectos, asegurados en ambos extremos en placas de tubos soldados a la carcaza. En este tipo de construcción, algunas veces es necesario incorporar en la carcaza una junta de expansión o una junta de empaques, debido a la expansión diferencial de la carcaza y los tubos. Esta expansión se debe a la operación del equipo a diferentes temperaturas y a la utilización de diferentes materiales en la construcción. La necesidad de esta junta es determinada tanto por la magnitud de la expansión diferencial como del ciclo operativo esperado. Cuando no se requieren estas juntas o empacaduras, el equipo ofrece el máximo de protección contra la fuga del liquido contenido en la carcaza. El haz de tubos no puede ser removido para inspección y limpieza, pero el cabezal en el lado de los tubos, las empacaduras, la cubierta del canal, etc. son accesibles para mantenimiento y reemplazo de las partes. La carcaza puede ser limpiada por retrolavado o químicamente. Los intercambiadores de cabezal fijo son usados en servicios donde el fluido de la carcaza es un fluido limpio, como vapor de agua, refrigerante, gases, cierto tipo de agua de enfriamiento, etc. El segundo tipo de intercambiadores de tubo y carcaza utiliza tubos en forma de U, con ambos extremos de los tubos sujetados a una placa de tubos simple, eliminándose así los problemas de expansión diferencial porque los tubos pueden expandirse y contraerse libremente, la forma de U absorbe estos cambios. A estas unidades se les denomina intercambiadores con tubos en U. El haz de tubos puede ser removido de la carcaza para inspección y limpieza; pero la limpieza mecánica interna de los tubos y su reemplazo es difícil, por lo que este tipo de intercambiadores es usualmente aplicable en servicios limpios o cuando la limpieza química es efectiva. El costo de estas unidades a presión baja es aproximadamente igual al de las unidades de cabezal fijo, pero a presión alta es significativamente mas barato, por lo que es muy usado en este tipo de aplicación. El tercer tipo de intercambiadores de tubo y carcaza, al igual que las unidades de cabezal fijo, presenta dos placas de tubos, pero con solo una de ellas soldada a la carcaza y la otra moviéndose libremente, y así evitando los problemas de expansión diferencial. A este diseño se le conoce como intercambiadores de cabezal flotante. El haz de tubos de este tipo de intercambiador puede
  16. 16. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 15 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma removerse para mantenimiento y para la limpieza mecánica de la carcaza y los tubos, también, pueden ser limpiados mecánicamente tanto en su exterior como en su interior. El diseño de cabezal flotante es mas caro (aprox. en un 25%) que el diseño de cabezal fijo, y es apropiado para servicios asociados a altas temperatura y presiones, pero limitado a aquellos servicios donde la fuga del fluido contenido en la carcaza es tolerable. Para mayor información sobre el diseño de este tipo de intercambiadores, refiérase a la Subsección 4.7 y al documento PDVSA–MDP–05–E–02. Resumiendo, los tipos de intercambiadores de tubo y carcaza, en orden de incremento de costos, para rango de presiones desde moderadas a altas, existentes son: 1. Intercambiador de cabezal fijo. 2. Intercambiador con tubos en U. 3. Intercambiador de cabezal fijo con junta de expansión o junta de empaques. 4. Intercambiador de cabezal flotante. El diseñador debería elegir el tipo de intercambiador menos costoso, que sea aplicable al caso en estudio. En la Tabla 9 se presentan los tipos de cabezal fijo y flotante de la TEMA. Las boquillas de entrada y salida del fluido contenido en la carcaza son generalmente secciones de tubos estándares soldadas a la carcaza; aunque diseños especiales pueden ser requeridos en casos de baja caída de presión, distribución uniforme del fluido o protección por erosión. (Por ejemplo, deflectores de choque, cuando flujo bifásico o vapor saturado es admitido en la carcaza). La cubierta del canal es asegurada por pernos o atornillada al canal para permitir la inspección de la placa de tubos y de los tubos sin perturbar la operación del equipo. Alternativamente, para el fluido por los tubos pueden usarse casquetes con boquillas bridadas o conexiones roscadas. Otra de las partes importantes en la mayoría de los intercambiadores es el arreglo de los deflectores transversales, cuya función principal es el soporte de los tubos contra las vibraciones y deformaciones. Otra función es definir la trayectoria del flujo alrededor de los tubos, mejorando la transferencia de calor, pero incrementando la caída de presión. Los deflectores mas usados son los de corte segmentado. Otras partes importantes en la construcción de estos equipos son las barras tirantes, los espaciadores, las bandas de sellos y, por supuesto, las empacaduras. Todas esta partes son discutidas en las subsecciones 4.6 y 4.7.
  17. 17. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 16 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Los intercambiadores de carcaza y tubos se diseñan y fabrican de acuerdo a los estándares de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (Tubular Exchanger Manufacturers Association “TEMA”), con las modificaciones indicadas en el MID–EA–201–PR. De acuerdo a los patrones de TEMA existen tres clases estándares de construcción mecánica de intercambiadores: R, C y B. De éstas sólo se considerarán las clases R y C. (La Clase B es muy similar a la Clase C). El equipo que se fabrica de acuerdo a los patrones de la Clase R, cumplen con todos los requisitos para los servicios que involucran una transferencia de calor elevada. Sin embargo, existe una cantidad numerosa de aplicaciones que no requieren este tipo de construcción. Estas se caracterizan por bajas tendencias a la corrosión y ensuciamiento, requiriendo factores de ensuciamiento que no exceden de 0.00035 m2°C/W (0.002 hpie2°F/BTU) y límites permisibles de corrosión que no excedan 3.0 mm (1/8 pulg), para la unidad que se esté considerando. Este tipo de unidades pueden ser consideradas como equipos cuya frecuencia de mantenimiento es baja. En esta categoría se encuentran los intercambiadores de servicio agua/agua, enfriadores de aire, y aplicaciones similares de corrientes que no sean hidrocarburos; también se incluyen algunos servicios de hidrocarburos livianos, tales como: intercambiadores para fracciones livianos de crudo, calentadores de aceite lubricante y algunos calentadores de tanques de succión. Para estos servicios, se debería considerar la construcción Clase C. Aunque las unidades que se fabrican de acuerdo a la Clase R o a la Clase C, cumplen con todos los requisitos de los códigos pertinentes, (ASME u otros códigos nacionales); las unidades Clase C se diseñan para lograr una mayor economía, pudiéndose conseguir un ahorro en costos de hasta el 5% con respecto a las unidades Clase R. 4.5.2 Enfriadores de aire Los enfriadores de aire consisten de uno o más ventiladores de flujo axial, velocidades relativamente bajas y diámetros grandes, que forzan o inducen al aire a fluir a través de un banco de tubos, generalmente con aletas. La configuración básica de una unidad es un banco de tubos aleteados montado sobre una estructura de acero con una cámara de pleno y un anillo vénturi, un motor y otros accesorios como persianas, guardaventilador, alambrado e interruptores de vibración. La selección entre enfriadores de aire o intercambiadores convencionales de tubos y carcaza, depende del balance económico, el cual debe considerar en la inversión inicial, los costos de las facilidades requeridas dentro y fuera del área, para la instalación de los equipos y los costos de operación de los mismos. En general, los enfriadores de aire resultan especialmente atractivos en aquéllas localidades donde el agua escasea o requieren un tratamiento costoso como una torre de enfriamiento, donde las leyes de contaminación ambiental establezcan
  18. 18. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 17 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma requisitos estrictos para los efluentes de agua, donde la expansión de los sistemas de agua de enfriamiento sea necesaria, o donde la naturaleza del medio enfriante cause taponamientos frecuentes o problemas de corrosión. En resumen, estas unidades requieren una inversión inicial mas alta que los enfriadores de agua pero los costos de operación y mantenimiento son menores. Estos equipos se utilizan con frecuencia en combinación con enfriadores de agua, cuando se requiere remover una gran cantidad de calor. En este caso los enfriadores de aire remueven primero la mayor parte del calor y el enfriamiento final se consigue con los de agua. también pueden utilizarse como enfriadores de emergencia en caso de requerirse un bombeo rápido de una corriente de proceso. Estas unidades aún con el ventilador apagado, son capaces de remover por convección natural entre 15 y 35% del calor de diseño, dependiendo del rango de temperatura de la corriente de proceso entrando al enfriador. Los enfriadores de aire ocupan un área relativamente grande. Por lo tanto, estas unidades se instalan normalmente encima de los tendidos de líneas y de los equipos de proceso, tales como tambores e intercambiadores. Para los criterios de seguridad aplicados, ver el documento PDVSA–MDP–08–SG–01. Cuando se considere la instalación de enfriadores de aire, se debería tomar en cuenta el efecto que puedan tener las pérdidas de calor de los equipos circundantes, en la temperatura de entrada del aire. El documento PDVSA–MDP–05–E–03 presenta una descripción detallada y el procedimiento de diseño para los enfriadores de aire. 4.5.3 Intercambiadores de doble tubo Los intercambiadores comerciales de doble tubo consisten de uno o más tubos, encerrados dentro de otro tubo en forma de U u “horquilla” que hace el papel de carcaza. Aunque algunas secciones de los intercambiadores de doble tubo tienen tubos lisos, la mayoría tienen aletas longitudinales en la superficie externa de los tubos. Son unidades de costos relativamente bajos, resistentes y se pueden desmantelar fácilmente para limpieza, removiendo la tapa colocada en el extremo en U del tubo externo, desmontando ambos cierres frontales y retirando el elemento de transferencia de calor. Estos intercambiadores se encuentran disponibles como unidades de fabricación estándar. Las secciones de doble tubo permiten un flujo en contracorriente y corriente verdadero, lo cual puede ser particularmente ventajoso cuando se requieren temperaturas de aproximación pequeñas o rangos de temperaturas grandes. Además, las unidades de doble tubo encajan muy bien en aquellas aplicaciones que involucran presiones altas y/o flujos bajos, debido a que estas unidades son de diámetros relativamente pequeños. Esto permite el uso de bridas pequeñas y paredes delgadas, si se las compara con los equipos de carcaza y tubo convencionales. Las secciones de doble tubo han sido diseñados para presiones
  19. 19. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 18 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma de 16500 kPa man. (2400 psig), inclusive, en el lado de la carcaza, y 103400 kPa man. (15000 psig), inclusive, en el lado de los tubos. Las juntas de metal a metal, juntas de anillo o anillos tipo O se utilizan en los cierres terminales frontales a presiones bajas. Los intercambiadores de doble tubo simple se encuentran disponibles en el mercado en diferentes tamaños. El diámetro nominal de la carcaza oscila entre 50 y 100 mm (2 a 4 pulg) y el de los tubos internos entre 20 y 65 mm (3/4–2 1/2 pulg). Estos intercambiadores pueden ser justificados económicamente cuando la superficie equivalente de la carcaza y el tubo interno que se requiere, sea menor de 30 metros cuadrados (300 pie2). Los intercambiadores de doble tubo múltiples contienen hasta 64 tubos dentro del tubo exterior o carcaza. Los tubos internos, los cuales pueden ser lisos o con aletas, se encuentran disponibles en diámetros externos entre 16 mm y 22 (5/8 a 7/8 pulg). Sin embargo, en aquellas secciones que contengan más de 19 tubos, sólo se utilizan normalmente tubos lisos. Los tamaños nominales de la carcaza varían entre 100 mm y 400 mm (4 y 16 pulg) de diámetro nominal. Para mayor información acerca de los intercambiadores de doble tubo, ver documento PDVSA–MDP–05–E–04. 4.5.4 Intercambiadores de superficie extendida En los tubos lisos, usualmente, la relación entre la superficie externa y la interna se encuentra en el rango de 1.1 a 1.5, dependiendo, por supuesto del diámetro y el espesor de pared. Aquellos tubos con una mayor relación de superficies, en el rango 3 a 40, se les conoce como tubos de superficie extendida; y por antonomasia, los intercambiadores construidos con este tipo de tubos se les denomina Intercambiadores de superficie extendida. Los tubos de superficie extendida presentan aletas, normalmente, transversales o longitudinales; aunque otros tipos de aletas, como espigas (“peg”), espinas (spines) o helicoidal pueden ser usadas. Las aletas longitudinales, para diseños de flujo paralelo a los tubos, son especialmente aplicables en servicios donde la caída de presión es pequeña y el fluido en el lado de las aletas es limpio. Las aletas transversales son generalmente para diseños de flujo perpendicular a los tubos. Este tipo de superficie se emplea cuando, debido a las propiedades de transferencia de calor de un fluido, existe una resistencia alta para el flujo de calor, mientras que las propiedades del otro fluido permiten una resistencia baja. El fluido con la resistencia alta al flujo de calor se pone en contacto con la superficie de las aletas. En los documentos PDVSA–MDP–05–E–02/ 03 se presentan las guías para la utilización de las superficies extendidas en los intercambiadores de carcaza y tubos.
  20. 20. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 19 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 4.5.5 Intercambiadores de placas Desde 1930 los intercambiadores de placa han sido usados en la industria química y de alimentos. Actualmente su uso se ha extendido considerablemente hacia la industria petrolera, especialmente cuando se requiere un sistema de intercambio de calor compacto y flexible en rangos de temperatura por debajo de 250 °C (482 °F) y 2533 kPa man. (368 psig). En estas unidades, la superficie de transferencia de calor es construida de planchas de metal en lugar de tubos. Estas planchas pueden ser de superficie lisa, corrugada o canalizada. Dependiendo del tipo de superficie de la plancha y de la configuración de la unidad, se conocen cuatro (4) tipos de intercambiadores de placa, a saber : (1) intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate), (2) intercambiadores de placas con empacadura (Plate–and–Frame Exchanger), (3) intercambiadores de placas con aletas (Plate–and–Fin Exchanger) y (4) intercambiadores de laminas repujadas (Patterned Plates). Dada la poca experiencia existente en estos tipos de intercambiadores, tanto en la IPPCN como en la compañías de ingeniería, este manual recomienda que el diseño de estas unidades sea realizado por los vendedores o fabricantes de estas unidades, dada su experiencia en dicha área. 1. Intercambiadores de placas en espiral (Spiral Plate).– Estas unidades consisten, esencialmente, de dos planchas paralelas, enrolladas en espiral y soldados, adecuadamente, los extremos alternos de las planchas adyacentes para formar un par de canales concéntricos. Las planchas son separadas por protuberancias abollonadas en una de las planchas. Un fluido entra en el centro del espiral y fluye hacia afuera; mientras el otro entra en la periferia y fluye hacia el centro, en contracorriente. Debido a la trayectoria en espiral de los fluidos, estas unidades presentan un coeficiente global de transferencia de calor más alto que las unidades convencionales y una reducción de la formación de depósitos de sucio. En la mayoría de los servicios no presentan problemas de expansión térmica y son relativamente fáciles de limpiar. Son utilizables en el manejo de fluidos viscosos o con contenido de solidos, y como condensadores o reboilers. En la Figura 9.a se muestran versiones de este tipo de equipos. 2. Intercambiadores de Placas con Empacadura (Plate–and–Frame Exchanger).– En la Figura 9.b se muestra un intercambiador típico de placas. Estas unidades consisten en un conjunto de planchas de metal muy delgadas y corrugadas, mantenidas juntas en un bastidor y selladas en sus bordes, para prevenir fugas hacia afuera, por una empacadura compresible, formando así una serie de pasadizos estrechos e interconectados, a través de los cuales son bombeados los fluidos. El fluido caliente y el frío siguen pasadizos alternos y el calor es transferido a través de las planchas con una resistencia térmica relativamente baja. El bastidor es una estructura rígida
  21. 21. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 20 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma formado por una placa fija en un extremo y una columna de soporte en el otro, conectados ambos en el tope por una barra de sustentación y en el fondo por un riel guía. Estas unidades resultan atractivas para su uso en lugares confinados o sensibles al peso, como barcos o plataformas costa afuera (por ejemplo, plataformas de producción en el Lago de Maracaibo), debido a que las superficies de transferencia son relativamente compactas y livianas. Pueden ser fabricadas con cualquier metal, aunque acero al carbono es poco usado porque el equipo no sería competitivo con las unidades de tubo y carcaza. Los rangos de temperatura y presión son limitados a valores relativamente bajos, debido al material de la empacadura y de construcción. 3. Intercambiadores de placas con aletas (Plate–and–Fin Exchanger).– Los intercambiadores de placas con aletas representan la forma mas compacta de superficie de transferencia de calor, por lo menos en el caso usual donde los fluidos deben mantenerse separados. El peso también es mantenido al mínimo. La presión de diseño puede alcanzar hasta 4826 kPa man. (700 psig.) y la temperatura en el orden de los 800°C (1472°F), inclusive temperaturas mas altas pueden usarse, si se utiliza como material de construcción, cerámica. Usualmente, el material de construcción es aluminio y las condiciones máximas de diseño son 4100 kPa man. (600 psig) y 67°C (150°F). Estas unidades son construidas de múltiples capas de hojas de metal corrugadas (aletas), formando una especie de matriz porosa o corrugada, colocada entre láminas planas de metal que sirven como tabiques separadores, como se muestra en la figura 9.c. El fluido entrando y saliendo de de la matriz corrugada es controlado por distribuidores, con una barra lateral solida usada para prevenir que un fluido entre en los canales del otro fluido. Mas de un fluido puede ser manejado en una sola unidad, mediante el arreglo adecuado de los distribuidores. El conjunto de matriz corrugada, laminas planas y barras laterales es soldado con una soldadura fuerte, resultando en una estructura resistente y rígida con una densidad volumétrica del área de transferencia de calor muy alta. Sin embargo, estas unidades presentan limitaciones en cuanto a su tamaño, materiales de construcción y limpieza. Siendo esta última su limitación mas generalizada, puesto que el tipo de construcción (completamente soldada y estrechos pasadizos) no permite el acceso para una limpieza mecánica, y el uso de químicos no resulta completamente satisfactorio dada la dificultad de penetración del fluido de limpieza. Por lo tanto, este tipo de unidades son especificadas para servicios de fluidos limpios, siendo el área mas común de aplicación los procesos criogénicos, tales como producción de gas natural liquido, purificación de hidrógeno etc., y actualmente se usan en las plantas de etileno. 4. Intercambiadores de láminas repujadas (Patterned Plates).– En estas unidades las superficies de transferencia de calor son construidas con dos planchas de metal, una de las cuales o ambas son repujadas, unidas con
  22. 22. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 21 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma soldadura normal o de latón de tal manera que forman canales parecidos a un serpentín. Un fluido circula a través de dichos canales y el otro alrededor de la superficie externa de las planchas. Estas unidades son poco costosas, livianas y fáciles de limpiar en el lado externo. Su aplicación principal es el enfriamiento y calentamiento de tanques. Las unidades conocidas como los Intercambiadores Lamella o Ramen son construidos soldando estas superficies de transferencia en una placa de tubos para formar un haz de tubos que es colocado en una carcaza. Aunque generalmente se construyen para presiones hasta 1724 kPa man. (250 psig), pueden ser diseñadas para presiones tan altas como 10342 kPa man. (1500 psig). 4.5.6 Intercambiadores de tipo espiral (“Hampson Coil”) Los intercambiadores de tubos en forma de espirales consisten de un grupo de serpentines concéntricos enrollados en forma de espiral, los cuales están conectados a placas o cabezales de tubos. Entre sus características se pueden mencionar las siguientes: son económicos, de fácil instalación y limpieza; se utilizan para flujo en contracorriente, no tienen problemas de expansión diferencial, son compactos y pueden ser usados para el intercambio de calor de dos o más fluidos. Estas unidades se utilizan normalmente en las aplicaciones criogénicas, donde la presión de proceso es 4500 kPa man. (650 psig) o mayor; siendo particularmente útiles en el manejo de fluidos viscosos y aplicables como condensadores o rehervidores. El documento PDVSA–MDP–05–E–05 presenta detalles adicionales sobre estas unidades. 4.5.7 Otros tipos de intercambiadores de calor La mayoría de los tipos de intercambiadores se describieron previamente en las subsecciones precedentes, pero ello no significa que se ha agotado la disponibilidad de dispositivos para transferencia de calor; muchas otras configuraciones especiales se encuentran disponibles en el mercado. A continuación se describen brevemente algunos tipos de intercambiadores que se utilizan en la IPPCN bajo consideraciones especiales de proceso y/o materiales. Para mayor información sobre estos intercambiadores, consulte las referencias 7, 8, 9, y 13 mencionadas en la sección 3. Adicionalmente, cuando se requiere utilizar este tipo de intercambiadores, se especifica normalmente el calor a transferir dejándole el diseño a los fabricantes de este tipo especial de equipos, quienes disponen de metodología de diseño, datos, experticia y garantizan la operabilidad de los mismos. 1. Intercambiadores tipo superficie raspadora (Scraped–Surface).– Los intercambiadores tipo superficie raspadora tienen un elemento rotatorio provisto de una cuchilla sujeta a un resorte, la cual sirve para limpiar la superficie de transferencia de calor. Estos equipos pueden ser de baja (15
  23. 23. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 22 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma a 150 rpm) y alta velocidad (200 a 2000 rpm) y ambos se utilizan generalmente en plantas donde el fluido es muy viscoso o tiene tendencia a formar depósitos, como en las plantas de extracción de parafinas (por ejemplo: La Refinería de San Roque, CORPOVEN, S. A.). Las unidades de alta velocidad son especialmente usadas en aquellos servicios donde se requiere un corto tiempo de residencia para prevenir la formación de depósitos y la cristalización. Estos intercambiadores son de construcción tipo doble tubo. El tubo interno, el cual lleva las cuchillas, se encuentra disponible en diámetros nominales de 150, 200 y 300 mm (6, 8 y 12 pulg, respectivamente). El tubo externo, el cual forma un pasadizo anular por donde fluye el medio enfriante o refrigerante se dimensiona de acuerdo a las necesidades del caso en cuestión. El arreglo más común consiste en un máximo de 10 secciones horizontales de 300 mm (12 pulg) de diámetro o un máximo de 12 secciones horizontales de diámetro menor, conectadas en serie o series/paralelo formando dos filas verticales sobre una estructura adecuada. Este tipo de arreglo se denomina soporte (“Stand”). Motores y cadena, o engranajes, más los protectores apropiados complementan el soporte (“Stand”). La secuencia normal de procesamiento incluye uno o más intercambiadores de soporte, seguidos de uno o más enfriadores de soporte en servicio refrigerante. 2. Intercambiadores tipo bayoneta.– Un intercambiador tipo bayoneta consiste de un par de tubos concéntricos, con el tubo externo soldado en uno de sus extremos. El tubo interno o bayoneta sirve únicamente para suplir el fluido al ángulo localizado entre el tubo externo o funda y el interno. La transferencia de calor ocurre solamente a través del tubo externo, el cual está hecho normalmente de una aleación muy costosa y el interno de acero al carbono. Son unidades de gran utilidad cuando existe una diferencia extremadamente alta entre el fluido del lado de la carcaza y el del lado de los tubos, ya que todas las partes sujetas a expansión diferencial, se mueven libre e independientemente una de la otra; se utilizan en servicios con cambio de fase donde no es deseable tener un flujo bifásico en contra de la gravedad; son adecuadas en servicios en vacío, debido a su baja caída de presión y algunas veces se coloca en tanques y equipos de proceso para calentamiento y enfriamiento. Los costos por metro cuadrado para estas unidades son relativamente altos, ya que solamente el tubo externo transfiere calor al fluido que circula por la carcaza. 3. Enfriadores de película vertical descendente.– Los intercambiadores de película vertical descendente son del tipo de cabezal de tubos fijo. El agua se controla mediante un instrumento de medición de la entrada de cada tubo y fluye por el interior de éstos, formando una película densa. 4. Enfriadores de serpentín (Worm Coolers).– Estos enfriadores consisten en serpentines sumergidos en un recipiente con agua. Aunque estos
  24. 24. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 23 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma enfriadores son de construcción simple, son extremadamente costosos por metro cuadrado de superficie. Se utilizan solamente por razones especiales, por ejemplo, cuando se requiere un enfriamiento de emergencia y no existe otra fuente de agua disponible. La caja contiene agua suficiente para enfriar el líquido en caso que ocurra una perturbación en la unidad y el agua de enfriamiento falle. Cuando se decide instalar estos equipos, los mismos deberían utilizarse regularmente como parte del circuito de enfriamiento de la unidad. 5. Condensadores de contacto directo (Barométricos).– Un condensador de contacto directo consiste en una torre pequeña, en la cual el agua y el vapor circulan juntos. El vapor condensa mediante el contacto directo con las gotas de agua. Su nombre se deriva del término “cola de tubería larga” (“Long Tailpipe”) o “pata barométrica” (“Barometric Leg”), la cual se requiere cuando es necesaria una descarga de condensado continua. Las unidades de contacto directo se utilizan solamente cuando las solubilidades del medio enfriante y del fluido de proceso, son tales que no se crean problemas de contaminación del agua o del producto. Las pérdidas del fluido de proceso en el medio enfriante también deben evaluarse. 6. Enfriadores de cascada.– Un condensador de cascada está constituido por una serie de tubos colocados horizontalmente uno encima del otro y sobre los cuales gotea agua de enfriamiento, proveniente de un distribuidor. El fluido caliente generalmente circula en contracorriente respecto al flujo de agua. Los condensadores de cascada se utilizan solamente donde el fluido de proceso es altamente corrosivo, tal como sucede en el enfriamiento de ácido sulfúrico. Estas unidades también se les conoce con el nombre de enfriadores de trombón (“Trombone Coolers”), enfriadores de gotas o enfriadores de serpentín. 7. Intercambiadores de grafito impermeable.– Los intercambiadores de grafito impermeable se utilizan solamente en aquellos servicios que son altamente corrosivos, como por ejemplo, en la extracción de isobutano y en las plantas de concentración de ácidos y dímeros. Estas unidades se construyen en diferentes formas: a. Los intercambiadores de grafito cúbico consisten de un bloque cúbico central de grafito impermeable, el cual es agujereado para proveer pasadizos para los fluidos de proceso y de servicio. Los cabezales están apernados a los lados del cubo de manera de distribuir el fluido. Los cubos se pueden interconectar para proveer área adicional de transferencia de calor. b. Los intercambiadores de grafito tipo bloque consisten de un bloque de grafito impermeable encerrado en una carcaza cilíndrica. El fluido de proceso (lado de los tubos) fluye a través de pasadizos axiales en el
  25. 25. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 24 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma bloque, y el fluido de servicio (lado de la carcaza), circula por pasadizos transversales en el bloque. c. Los intercambiadores de grafito de carcaza y tubos son iguales a los intercambiadores corrientes de carcaza y tubo, excepto que los tubos, las hojas de tubos y cabezales están construidos de grafito impermeable. 4.6 Consideraciones generales de diseño 4.6.1 Generalidades La velocidad de transferencia de calor de un fluido a otro, a través de una pared de metal es proporcional al coeficiente global de transferencia de calor, el área de la pared y a la diferencia de temperatura entre el fluido caliente y el frío: Q + Uo x A x DTMe (Ec. 1) donde: ÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁ ÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ En unidades SI ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ En unidades inglesas ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ Q ÁÁ ÁÁ ÁÁ =ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Velocidad de transferencia de calor ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ W ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ BTU / h ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁ Uo ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ ÁÁ =ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Coeficiente global de transferencia de calor basado en el área externa de la superficie del metal ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ W / m2 °C ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ BTU / hpie2 °F ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ A ÁÁ ÁÁ ÁÁ =ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Area externa de la superficie del metal a través de la cual ocurre la transferencia de calor ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ m2 ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ pie2 ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ ÁÁÁÁ DTMe ÁÁ ÁÁ ÁÁ ÁÁ = ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁÁ Diferencia de temperaturas medias logarítmicas entre los fluidos caliente y frío ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁ °C ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ ÁÁÁÁÁÁÁÁ °F Cuando se especifica un intercambiador de calor, el diseñador casi siempre conoce o puede calcular sin mucha dificultad, los términos Q y DTMe para las condiciones de proceso dadas. Para obtener el valor apropiado del área de transferencia de calor requerida, se necesita evaluar solamente el coeficiente Uo. Desafortunadamente, Uo es función del diseño y de las velocidades de ensuciamiento. Por esta razón, el diseño de un intercambiador de calor requiere un cálculo de ensayo y error (tanteo).
  26. 26. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 25 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma El procedimiento general utilizado en el diseño de intercambiadores de calor se describe en la sección 5. 4.6.2 Coeficiente global de transferencia de calor (U0) Esta disertación teórica sobre los coeficientes globales de transferencia de calor es aplicable a todos los tipos de intercambiadores, excepto los de contacto directo. Cuando el calor fluye desde un fluido que circula por un lado de un tubo a otro fluido que circula por el otro lado del tubo, dicho calor debe vencer las resistencias siguientes: – Rio, la cual es la resistencia de la película laminar del fluido en el interior del tubo, referida al área externa del tubo. – rio, la cual es la resistencia (factor de ensuciamiento) del material extraño depositado en el interior de tubo, referida al área externa del tubo. – rw, la cual es la resistencia de la pared del tubo. – ro, la cual es la resistencia (factor de ensuciamiento) del material extraño depositado en el exterior del tubo. – Ro, la cual es la resistencia de la película laminar del fluido en el exterior del tubo. La suma de estas cinco resistencias se denomina resistencia total Rt y se define como: Uo + 1 Rt (Ec. 2) Los factores de ensuciamiento rio y ro se estiman basados en la experiencia o utilizando los valores típicos que se muestran en la Tabla 5. El término rw se calcula a partir del espesor y la conductividad térmica del metal. Rino y ro son funciones de la velocidad másica y de las propiedades físicas del fluido, y se evalúan a partir de las correlaciones dadas en las subsecciones siguientes. Estas correlaciones están dadas en términos de hio y ho, donde 1/Ro = hi y 1/Rio = hio. Los términos “h” se denominan “coeficientes de película”. Los términos de resistencia se expresan por unidad de área (m2 o pie2). El área se refiere a los metros cuadrados (pie2) de superficie, donde ocurre la resistencia. Como las resistencias se suman para obtener una resistencia total, cada resistencia debe estar referida a una misma área en lugar de a su propia área. Esto racionaliza los términos y hace posible que puedan adicionarse. Es práctica común utilizar el área externa de los tubos, como base para los cálculos y la especificación de los intercambiadores. Esto se indica normalmente con el subíndice “io”, como se mostró anteriormente. Por ejemplo, “hio” es el “coeficiente interno” basado en el área externa del tubo. Para un tubo, hio = hi (di/do), donde hi es el “coeficiente interno” basado en el área interna del tubo. Este factor ya ha sido incluido en las correlaciones presentadas en este manual.
  27. 27. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 26 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma La hoja de especificación de intercambiadores de calor, que se muestra en la Figura 1., indican que dos coeficientes totales de transferencia de calor deberían ser calculados; se debería calcular un coeficiente limpio y otro sucio (La hoja de especificación de los enfriadores de aire se muestra en el documento PDVSA–MDP–05–E–03). El coeficiente limpio (“Commercially Clean Coefficient”) es el coeficiente total que puede esperarse cuando un intercambiador nuevo se pone por primera vez en servicio. Este coeficiente se calcula de la manera siguiente: 1 Uc + Rc ) Rio ) Ro ) rw ) F1 (Ec. 3) El factor F1 (F1 = 0.0002 m2 °C/W = 0.001 h.pie2 °F / BTU) es una resistencia que se estima por el ensuciamiento de un intercambiador nuevo debido a los lubricantes utilizados durante la expansión (Tube Roller Lubricants) de los tubos, la corrosión causada por la prueba hidrostática del equipo, etc. Se supone que esta resistencia se divide uniformemente entre las superficies del lado de la carcaza y del lado de los tubos. 4.6.3 Temperaturas de operación Las temperaturas de operación de un intercambiador son establecidas por las condiciones del proceso. Sin embargo, en ciertos casos, el diseñador del intercambiador puede establecer las condiciones de operación, pero estas en ningún caso pueden ser menores que las mínimas requeridas por el proceso. A continuación se presentan criterios para la selección de la temperatura de operación: 1. Temperatura de las corrientes a almacenaje – La temperatura máxima de una corriente enviada a un almacenaje abierto a la atmósfera, se establece generalmente de acuerdo a criterios de seguridad, aspectos económicos o consideraciones especiales del proceso (Ver documento PDVSA–MDP–08–SG–01): a. Criterios de seguridad – Una corriente enviada a un tanque situado a nivel del mar y abierto a la atmósfera, no debería exceder la temperatura a la cual su presión de vapor verdadera sea 89.6 kPa abs. (13 psia). Este valor se reduce 11.3 kPa, por cada 1000 m (0.5 psi por cada 1000 pie) de elevación. Para las corrientes pesadas cuya presión de vapor verdadera es difícil de determinar, la temperatura máxima a almacenaje debería ser el valor más bajo entre 28°C (50°F) por debajo del punto inicial de ebullición ASTM y 8°C (15°F) por debajo del punto de inflamación mínimo. Las corrientes no deberían enviarse a almacenaje a temperaturas superiores de 90 a 120°C (200 a 250°F). Si se opera en este rango de temperatura o por encima de él, el agua
  28. 28. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 27 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma remanente en el tanque podría evaporarse ocasionando un derramamiento del tanque. b. Aspectos económicos – La selección de la temperatura óptima de una corriente enviada a un tanque de techo cónico, se basa generalmente en un balance económico entre el costo en que se incurre al aumentar la superficie del enfriador y el consumo de agua de enfriamiento, y el ahorro que se produce al reducir las pérdidas por vaporización del producto enviado a almacenamiento. El método para determinar las pérdidas por vaporización se presentan en los Boletines API siguientes: • API Bulletin 2516 “Evaporation loss from low–pressure tanks (R 1993)” • API Bulletin 2517 “Evaporative loss from floating root tanks third edition; Addendum – 1994” • API Manual of Petroleum Measurements Standards Ch 19 – Evaporative loss measurement Section 1 – “Evaporative loss from fixed–roof tanks (Supercedes Bulletin 2518). • API Bulletin 2519 “Evaporation loss from internal floating roof tanks (R 1990)”. Como las pérdidas en un tanque de techo flotante son despreciables, la temperatura óptima es la máxima que se permita por razones de seguridad (Consulte al respecto el Manual de Ingeniería de Riesgos de PDVSA). c. Consideraciones especiales – La oportunidad para optimizar la temperatura de una corriente que va a almacenaje es mayor para los productos intermedios. Sin embargo, se requieren consideraciones especiales para los casos siguientes: c.1. Corrientes que se almacenan antes de un proceso que requiere la refrigeración de la alimentación. c.2. Corrientes cuyas propiedades se degradan permanentemente a temperaturas altas de almacenamiento. c.3. Corrientes que se almacenan antes de ser mezcladas. Las temperaturas de almacenaje de estas corrientes deberían elegirse después de considerar las propiedades y la temperatura de la mezcla, suponiendo que no exista pérdidas de calor en el almacenaje intermedio.
  29. 29. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 28 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Además de la alimentación mencionada anteriormente, la temperatura de una corriente que va al almacenaje final, está limitada normalmente a un máximo de 57°C (135°F), si el producto tiene que ser transportado por barco o tanquero. Sin embargo, algunas veces se utilizan temperaturas superiores a los 65°C (150°F), pero el procedimiento de operación a temperaturas elevadas tiene que ser aprobado por el personal de embarque. 2. Temperatura del agua de enfriamiento – Las temperaturas de salida máximas permitidas para el agua de enfriamiento (determinadas por consideraciones de ensuciamiento), en enfriadores que no sean recipientes llenos de agua son las siguientes (Box Coolers): • Agua Salada 48°C (120°F) • Agua Salobre 51°C (125°F) • Agua Dulce 54°C (130°F) La temperatura máxima de operación utilizada para un proyecto debería verificarse con el cliente, ya que ésta tiene una influencia importante en la determinación de la superficie. Otro criterio igual o más importante, es el de la máxima temperatura permitida para la película del agua de enfriamiento. Esta es la temperatura de película promedio a la salida del agua. Los límites son los siguientes: • Agua Salada 60°C (140°F) • Agua Dulce 65°C (150°F) Para los intercambiadores tipo serpentines sumergidos en recipientes con agua, la temperatura de salida máxima del agua de enfriamiento es 65°C (150°F), tanto para el agua salada como el agua dulce. Si se permite que las temperaturas de película del agua excedan los valores anteriores, puede ocurrir un ensuciamiento catastrófico. En aquellos casos donde la temperatura de salida de la corriente caliente es igual o menor que la temperatura de salida máxima permitida del agua de enfriamiento, se requiere hacer un pequeño estudio económico para determinar la temperatura óptima de salida del agua. Este estudio consiste en comparar superficie versus requerimientos de agua de enfriamiento, para diferentes valores de temperatura de salida del agua. Sin embargo, para este caso la temperatura de salida del agua se determina diseñando el intercambiador de manera tal que el factor de corrección de la diferencia de temperaturas media logarítmica (Fn) sea igual al valor mínimo permitido (0.8). Se debe mantener presente la posibilidad de utilizar una unidad de dos pasos en la carcaza o dos carcazas en serie, para estas situaciones.
  30. 30. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 29 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma Algunas veces, un condensador o un enfriador puede diseñarse utilizando una gran cantidad de agua de enfriamiento con una temperatura de salida relativamente baja. Cuando este sea el caso, se debería tener presente la posibilidad de reutilizar esta agua en otros enfriadores, donde la temperatura de salida del agua sea igual a la máxima permitida. Los intercambiadores tipo serpentín sumergido en recipiente con agua operan con agua que ha sido utilizada previamente. En la Tabla 4 se presenta una lista de las temperaturas de entrada del agua de enfriamiento, que se recomienda utilizar en el diseño de acuerdo a la ubicación de la refinería y al tipo de agua. 3. Temperatura de aproximación– La selección del arreglo óptimo de una serie de intercambiadores (tren de intercambiadores), requiere de un estudio económico más complejo debido al gran número de variables que se tienen que considerar. En muchos casos, no solamente el calor total requerido se debe distribuir entre los intercambiadores y un horno (o vapor), sino que se debe tener en cuenta que este calor puede ser suministrado por otras corrientes de diferentes niveles de entalpía, que se encuentren disponibles. Se deben considerar los costos de inversión de los intercambiadores, enfriadores y el horno (o calentador a vapor). Los costos de operación de estos equipos también deben incluirse. Es posible transferir mucho calor al extremo frío de un tren de intercambiadores de calor o requerir un área excesiva en un punto más distante donde la corriente que se calienta ha aumentado su temperatura. También, cuando se desea obtener la mayor cantidad de calor que sea posible, la temperatura de aproximación (diferencia de temperatura entre las temperaturas de salida de las corrientes) que se utilice debe ser pequeña, de manera tal que el diseño resulte económico. En aquellos casos donde el costo del combustible es alto (mayor de $1.40 por millón kJ (1.5$ por millón de BTU)), es muy importante efectuar un análisis crítico a la parte económica. Para mayores detalles ver subsección 4.9. 4.6.4 Diferencia efectiva de temperatura A. Sin cambio de fase La diferencia de temperatura efectiva, DTMe, entre los fluidos caliente y frío es la fuerza motora del mecanismo de transferencia de calor. Esta temperatura se calcula a partir de la diferencia de temperatura media logarítmica en contracorriente, la cual se corrige mediante factores, los cuales toman en consideración el arreglo de flujo que se vaya a utilizar. B. Con cambio de fase En el caso de condensación o vaporización, la relación entre Q y la temperatura del fluido no es lineal. En este caso, se hace necesario dividir el intercambiador en
  31. 31. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 30 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma zonas de manera tal que Q sea aproximadamente lineal con las temperaturas para cada zona. Basadas en las diferencias de temperaturas media logarítmicas y los calores transferidos en cada una de las zonas, se obtiene un DTMe total para todo el intercambiador. Los métodos que se utilizan para obtener el DTMe se presentan en los documentos que tratan sobre cambio de fase (PDVSA–MDP–05–E–02 03/ ). 4.6.5 Factores de ensuciamiento Las resistencias a la transferencia de calor debidas al ensuciamiento son causadas por sedimentos, polímeros y otros depósitos que se forman en las paredes internas y externas de los tubos de los intercambiadores de calor. Los valores que se utilizan en el diseño toman en cuenta las resistencias que se esperan durante la operación normal del equipo y un tiempo de servicio razonable entre los períodos de limpieza. Los factores de ensuciamiento se representan con los símbolos rio y ro. En la Tabla 5 se presentan los factores de ensuciamiento normales para diferentes tipos de servicio, basados en las recomendaciones de la Asociación de Fabricantes de Intercambiadores Tubulares (TEMA) y en la experiencias pasadas de la IPPCN. Observe que estos factores aplican a la superficie sobre la cual el ensuciamiento ocurre. Aunque parece algo ridículo ajustar un valor de poca precisión a un área de referencia, este paso se requiere para los cálculos por computadora y se hace durante los cálculos manuales con el propósito de ser consistente. Los factores de ensuciamiento tabulados pretenden evitar que el intercambiador transfiera menos calor que el requerido por el proceso, durante un período aproximado de un año a un año y medio. Sin embargo, esta tabla es solamente una guía, ya que cuando exista información que pueda ser utilizada para determinar con precisión el factor de ensuciamiento para un servicio en particular, este factor debería utilizarse en lugar de los valores que se presentan en la Tabla 5. La importancia de los factores de ensuciamiento depende del valor del coeficiente de transferencia de calor limpio, Uc; mientras mejor sea este coeficiente más importante es el factor de ensuciamiento. Después de un cálculo preliminar de Uc, es fácil determinar el efecto que tiene el doblar (o disminuir a la mitad) los factores de ensuciamiento que se han supuesto sobre el tamaño del intercambiador. Si este efecto es pequeño (5% o menos), no se justifica determinar un factor de ensuciamiento más preciso. Sin embargo, muchas veces el Uc es tan grande que el tamaño del intercambiador depende exclusivamente del valor del factor de ensuciamiento. En estos casos, se debería examinar minuciosamente los datos de planta que se encuentran disponibles. Para el diseño de intercambiadores es muy importante considerar los criterios siguientes sobre ensuciamiento:
  32. 32. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 31 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma 1. El ensuciamiento no es usualmente severo por debajo de los 120°C (250°F). 2. El ensuciamiento es más severo cuando los hidrocarburos se calientan que cuando se enfrían. Esto se cumple particularmente para los crudos que contienen sales disueltas en el agua y sólidos suspendidos. El tren de precalentamiento de crudo de las unidades de destilación, muchas veces incluye un desalador o un tambor vaporizador para remover el agua antes que el crudo alcance la temperatura de evaporación del agua. De esta manera, se reduce el ensuciamiento de los intercambiadores de crudo causado por las sales. 3. La vaporización en un intercambiador puede causar ensuciamiento severo, debido a la concentración, de depósitos en el líquido remanente hasta el punto de sobresaturación. 4. Altas velocidades tienden a reducir el ensuciamiento. Esto se cumple especialmente en los casos de agua de enfriamiento que contiene sal, crudo con arena y gases con partículas. 5. La alimentación a los hidrofinadores, reformadores catalíticos y plantas de desintegración catalítica, muchas veces se ve afectada por un proceso de ensuciamiento severo debido a las reacciones orgánicas con oxígeno, que ocurren mientras la alimentación se encuentra almacenada en los tanques. Este proceso de ensuciamiento puede reducirse estableciendo una atmósfera de gas inerte en los tanques de almacenamiento. 6. Los fondos de una torre de destilación de crudo, aunque son pesados y se encuentra a una temperatura elevada, no ocasionan normalmente mucho ensuciamiento (siempre y cuando la temperatura de la zona de vaporización instantánea no sea excesiva). 4.6.6 Caída de presión La caída de presión en un intercambiador es producto de tres tipos de pérdidas: las pérdidas por fricción debido al flujo, las pérdidas debidas a cambios en la dirección del flujo y las pérdidas causadas por la expansión y contracción en las entradas y salidas de las boquillas y tubos. El método para calcular la caída de presión es diferente para cada tipo de intercambiador y se discutirá en las subsecciones correspondientes. En la tabla 6 se presentan valores típicos de caída de presión en intercambiadores. El diseño de un intercambiador de calor esta basado usualmente en un balance económico entre el costo de la superficie del intercambiador y el costo de las bombas o compresores. El costo de un servicio, como por ejemplo el agua, se incluye con frecuencia en este balance económico. Velocidades másicas altas a través del intercambiador permiten un coeficiente de transferencia mayor y un área menor, pero se requiere una caída de presión mayor. Esta situación requiere
  33. 33. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 32 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma de una instalación con costos de inversión y operación de la bomba o el compresor mayores y un costo de inversión del intercambiador menor. En algunas ocasiones, un sistema en particular puede tener una caída de presión excesiva, la cual debería ser utilizada para minimizar el costo del intercambiador. En general, la necesidad de hacer un balance económico detallado entre la caída de presión y el área del intercambiador, puede determinarse observando el efecto que tiene el coeficiente de película individual sobre el coeficiente total de transferencia de calor. Poco se gana especificando una caída de presión mayor para un fluido en un intercambiador, si el otro fluido tiene un coeficiente de película significativamente bajo. Para tales casos, un balance económico detallado es innecesario. No es deseable tener altas caídas de presión, ya que éstas contribuyen a la erosión, requiriendo el uso de internos de espesor excesivo y de válvulas, accesorios o tuberías de una clasificación mayor en el circuito del intercambiador. 4.6.7 Temperatura y presión de diseño Los criterios presentados en el documento PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 2) (Temperatura de diseño, presión de diseño y clasificación de bridas) deberían ser seguidos al fijar las condiciones de diseño. C. Presión de diseño Las presiones de diseño de los lados caliente y frío de un intercambiador se determinan independientemente en base a las condiciones de operación., según los siguientes criterios (para mayores detalles ver el documento PDVSA–MDP (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 2). 1. La presión de diseño debe ser igual a la máxima presión de operación esperada mas el mayor valor entre un 10% de dicha presión y 172 kPa man. (25 psig). 2. La mínima presión de diseño debe ser 207 kPa man. (30 psig). Ocasionalmente, uno de los pases internos de un intercambiador puede fallar. Entonces el lado de presión alta podría ejercer su presión sobre el lado de presión baja. Si la presión de diseño del lado de presión baja es mayor o igual a los dos tercios de la presión de diseño del lado de presión alta, no se requiere ninguna consideración adicional en caso que alguno de los internos falle. Los intercambiadores se prueban hasta por lo menos 150% de la presión de diseño y pueden utilizarse satisfactoriamente bajo esta presión por períodos cortos de tiempo. Si la presión de diseño del lado de presión baja es menor que dos tercios de la presión de diseño del lado de presión alta, se debe examinar el sistema para ver que pasaría cuando ocurra un flujo rápido a través de un pase interno que haya fallado. Si existe un camino adecuado de escape para el
  34. 34. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 33 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma fluido de alta presión o si una válvula de control automática abre de manera de proveer una vía de escape adecuada, no es necesario tomar en cuenta consideraciones adicionales. Pero si la vía de escape puede ser bloqueada, o es inadecuada, el diseñador debería establecer la presión mínima por falla interna (presión de equilibrio bajo condiciones de una falla interna) que se requiere para manejar esta emergencia (Ver los siguientes documentos: PDVSA–MDP–08–SG–01 sobre Seguridad en el Diseño de Planta; PDVSA–MID–90616.1.022, PDVSA–MDP–08–SA–01/ 02/ 03/ 04/ 05 sobre Sistemas de Alivio, y PDVSA–MID–K–366, Safety Relief Protection Systems). Una vez que esta presión haya sido establecida se debería considerar los siguientes aspectos: 1. Aún cuando la presión mínima de diseño de la caracaza, debido al espesor de la misma, puede obtenerse por las ecuaciones típicas del código ASME, los estándares TEMA indican (párrafo RCB–7.163), que existe una presión efectiva de diseño, la cual se cálcula conociendo detalles de contrucción, y que toma en cuenta que la carcaza no es un recipiente, sino que tiene espejos de tubos, banda de sellon, etc. Debido a que esta información, la mayoría de las veces, no está disponible para el diseñador de procesos cuando trabaja en el diseño de un equipo nuevo, no será incluída en este manual. Ver estándares TEMA, errata de 1990 a la 7ma. edición de 1988. Cuando se este trabajando con un equipo existente, se recomienda consultar a los grupos mecánicos para obtener el valor de presión efectiva de diseño de la carcaza. 2. Si la presión de diseño mínima real es menor que la presión mínima de diseño, se debe utilizar la más económica de las alternativas siguientes: a. Especificar una válvula de seguridad en el lado de presión baja. b. Especificar la presión mínima por falla interna, como la presión de diseño del lado de baja presión. 3. En otros tipos de intercambiadores, el cálculo del espesor mínimo de los componente requiere un estudio similar al que se hace para los intercambiadores de tubo y carcaza; pero en estos casos, los espesores mínimos de los componentes pueden estar determinados por limitaciones de diseño o fabricación, por la disponibilidad del material o por espesores estándar. En un proyecto, el grupo de equipos de transferencia de calor debería ser consultada para que dé asistencia en determinar los espesores mínimos de los componentes para estos casos. En ocasiones el lado frío de un intercambiador puede ser bloqueado manualmente, mientras que el fluido caliente circula por el otro lado, produciéndose una expansión térmica del fluido frío. Esta expansión podría
  35. 35. REVISION FECHA MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO TRANSFERENCIA DE CALOR INTERCAMBIADORES DE CALOR PRINCIPIOS BASICOS JUL.950 PDVSA MDP–05–E–01 Página 34 PDVSA .Menú Principal Indice manual Indice volumen Indice norma ocasionar la rotura de uno de los componentes. Sin embargo, esta situación puede no requerir el uso de una válvula de seguridad. (Ver documento PDVSA–MDP–08–SG–01, Seguridad en el Diseño de Plantas). Si el lado frío de un intercambiador puede ser bloqueado debido a la falla de una válvula automática, como por ejemplo, en el circuito de precalentamiento de crudo, entonces una válvula de alivio térmico en el lado frío deberá ser prevista. D. Temperatura de diseño Las temperaturas de diseño de los lados caliente y frío de un intercambiador se determinan independientemente en base a consideraciones de proceso y usando, normalmente, los siguientes criterios: 1. Para intercambiadores que operan a temperaturas entre 0°C (32°F) y 399°C (750°F), la temperatura de diseño debe definirse como la máxima temperatura de operación esperada mas 14°C (25°F). 2. La mínima temperatura de diseño debe ser 66°C (150°F) para intercambiadores operando por encima de 0°C (32°F). 3. Para intercambiadores que operan a 0°C (32°F) y a menores temperaturas, la temperatura de diseño debe definirse como la mínima temperatura de operación esperada. 4. Cuando exista la posibilidad de exponer a los tubos, la placa de tubos y el cabezal flotante a la temperatura de entrada del fluido caliente, como resultado de la perdida del medio enfriante, estos componentes deben ser diseñados para la máxima temperatura de operación esperada del fluido caliente. En el documento PDVSA–MDP– (Pendiente) (Consultar MDP versión 1986, Sección 2) (Temperatura de Diseño, Presión de Diseño y Clasificación de Bridas) se presentan mayores detalles sobre el procedimiento a seguir para definir esta condición de diseño. En ocasiones un enfriador está localizado inmediatamente después de un intercambiador, el cual ha sido provisto de un desvío. En esta situación, la temperatura y presión de diseño del enfriador deberán basarse en las condiciones de proceso, que prevalecerán cuando el desvío del intercambiador se encuentre completamente abierto. Una situación similar puede presentarse con intercambiadores colocados en series. Para sistemas nuevos de agua de enfriamiento se debe utilizar una presión y temperatura de diseño de 690 kPa man. (100 psig) y 66°C (150°F), respectivamente, a menos que existan otras instrucciones al respecto. En el caso de sistemas existentes, se debe mantener consistencia. Estos valores son normalmente lo suficientemente altos para cubrir diferentes condiciones sin

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